KR102667052B1 - Beam Splitting Handoff System Architecture - Google Patents

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KR102667052B1
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로타르 브루스
팀 메이슨
노엘 터너
루이스 그라스
압돌레자 샤피에
모센 사제갈
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카이메타 코퍼레이션
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Abstract

빔 분할 핸드 오프 시스템 아키텍처 및 그를 이용하기 위한 방법이 개시된다. 일 실시 예에 있어서, 방법은: 제1 위성을 추적하기 위해 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나로 제1 빔을 발생시키는 단계와; 제1 위성을 추적하기 위해 제1 빔을 발생시키는 동안 동시에 제2 위성을 추적하기 위해 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나로 제2 빔을 발생시키는 단계; 및 제1 위성으로부터 제2 위성으로 트래픽을 핸드 오프하는 단계;를 포함한다.A beam split handoff system architecture and a method for using the same are disclosed. In one embodiment, the method includes: generating a first beam with a single electronically steered flat-panel antenna to track a first satellite; generating a first beam to track a first satellite while simultaneously generating a second beam to track a second satellite with a single electronically steered flat-panel antenna; and handing off traffic from the first satellite to the second satellite.

Description

빔 분할 핸드 오프 시스템 아키텍처Beam Splitting Handoff System Architecture

본 특허 출원은 2018년 6월 6일에 출원된, 발명의 명칭이 "빔 분할 핸드 오프 시스템 아키텍처(BEAM SPLITTING HAND OFF SYSTEMS ARCHITECTURE)"인, 대응하는 가특허 출원 제62/681,552호 및 2019년 6월 5일에 출원된, 발명의 명칭이 "빔 분할 핸드 오프 시스템 아키텍처(BEAM SPLITTING HAND OFF SYSTEMS ARCHITECTURE)"인, 비-가특허 출원 제16/432,624호에 대한 우선권을 주장하고 참조로 통합한다.This patent application is based on the corresponding Provisional Patent Application Nos. 62/681,552, filed June 6, 2018, and entitled “BEAM SPLITTING HAND OFF SYSTEMS ARCHITECTURE” and filed June 6, 2019. Priority is claimed and incorporated by reference to Non-Provisional Patent Application No. 16/432,624, entitled “BEAM SPLITTING HAND OFF SYSTEMS ARCHITECTURE,” filed on May 5.

본 발명의 실시 예는 무선 통신의 분야에 관한 것으로; 특히, 본 발명의 실시 예는 2개의 위성 간에서 통신을 핸드 오프하는 것(handing off)을 용이하게 하기 위해 단일 위성 안테나로 동시에 다수의 빔을 발생시키는 것에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to the field of wireless communications; In particular, embodiments of the present invention relate to generating multiple beams simultaneously from a single satellite antenna to facilitate handing off communications between two satellites.

비정지 위성의 콘스텔레이션(constellation of nonstationary satellites)과의 통신을 계속하기 위해 시도하는 위성 터미널은 해당 위성이 터미널의 시야 내에 있는 동안에만 주어진 위성을 가리킬 수 있다. 위성이 시야를 벗어날 때, 터미널은 최근에 시야로 들어온 다른 위성을 가리켜야만 한다. 언제나 소정의 주어진 위성을 가리키기 위한 단일 빔만에 의하면, RF 연결은 다른 위성으로의 이행(transition) 동안에는 상실될 것이다. 즉, 위성은 시야에 들어오고 있는 중이거나 이미 들어와 있는 새로운 위성과 연결될 수 있도록 그 시야를 벗어나는 위성과의 연결을 차단해야만 할 것이다. 이러한 BBM(break-before-make) 연결은, 포인팅 각도(pointing angles)를 스위칭하기 위한 안테나에 대한 시간, 새로운 위성에 대해 포인팅을 최적화하기 위한 추적 알고리즘에 대한 시간, 새로운 캐리어(carrier)에 대해 록킹(lock)하기 위한 모뎀에 대한 시간, 및 종단 간 연결(end-to-end connection)을 재-수립(re-establish)하기 위한 네트워크에 대한 시간에 의해 야기된, 데이터 중단(data outage)을 초래한다.A satellite terminal attempting to maintain communication with a constellation of nonstationary satellites can point to a given satellite only while that satellite is within the terminal's field of view. When a satellite goes out of sight, the terminal should point to another satellite that has recently come into view. With only a single beam to point at any given satellite at any time, the RF connection will be lost during transition to another satellite. In other words, the satellite will have to block connections with satellites that are out of its field of view so that it can connect with new satellites that are coming into or are already in its line of sight. This break-before-make (BBM) connection provides time for the antenna to switch pointing angles, time for the tracking algorithm to optimize pointing for the new satellite, and locking for the new carrier. resulting in data outage, caused by the time for the modem to lock and the time for the network to re-establish the end-to-end connection. do.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 빔 분할 핸드 오프 시스템 아키텍처(beam splitting hand off systems architecture) 및 이를 이용하기 위한 방법이 개시된다.The present invention was invented in consideration of the above, and a beam splitting hand off system architecture and a method for using the same are disclosed.

일 실시 예에 있어서, 방법은: 제1 위성을 추적하기 위해 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나로 제1 빔을 발생시키는 단계와; 제1 위성을 추적하기 위해 제1 빔을 발생시키는 동안 동시에 제2 위성을 추적하기 위해 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나로 제2 빔을 발생시키는 단계; 및 제1 위성으로부터 제2 위성으로 트래픽을 핸드 오프하는 단계;를 포함한다.In one embodiment, the method includes: generating a first beam with a single electronically steered flat-panel antenna to track a first satellite; generating a first beam to track a first satellite while simultaneously generating a second beam to track a second satellite with a single electronically steered flat-panel antenna; and handing off traffic from the first satellite to the second satellite.

본 발명은 아래에 주어진 상세한 설명 및 본 발명의 다양한 실시 예의 첨부 도면으로부터 보다 완전하게 이해될 것이지만, 특정 실시 예로 본 발명을 제한하도록 취해지지 않아야 하고, 단지 설명 및 이해를 위한 것이다.
도 1은 통신용 위성 안테나를 이용하기 위한 방법의 일 실시 예의 흐름도이다.
도 2는 통신용 위성 안테나를 이용하기 위한 방법의 일 실시 예의 흐름도이다.
도 3은 빔 분할 안테나 시스템(beam splitting antenna system)의 일 실시 예를 예시한다.
도 4는 대안적인 빔 분할 안테나 시스템의 블록도이다.
도 5a는 위성을 추적하고 핸드 오프(hand off)하기 위한 안테나 빔 스위칭 타이밍도이다.
도 5b는 전송(Tx) 빔 분할 및 핸드오프 및 대응하는 타이밍도의 예를 예시한다.
도 6은 원통형으로 급전된 홀로그래픽 방사형 개구면 안테나(cylindrically fed holographic radial aperture antenna)의 일 실시 예의 개략도를 예시한다.
도 7은 접지 평면(ground plane) 및 재구성가능 공진기 층(reconfigurable resonator layer)을 포함하는 하나의 행의 안테나 엘리먼트의 사시도를 예시한다.
도 8a는 튜닝가능 공진기/슬롯(tunable resonator/slot)의 일 실시 예를 예시한다.
도 8b는 물리적 안테나 개구면(physical antenna aperture)의 일 실시 예의 단면도를 예시한다.
도 9a 내지 도 9d는 슬롯 어레이(slotted array)를 생성하기 위한 여러 층의 일 실시 예를 예시한다.
도 10은 원통형으로 급전된 안테나 구조체의 일 실시 예의 측면도를 예시한다.
도 11은 유출 파(outgoing wave)를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시 예를 예시한다.
도 12는 안테나 엘리먼트에 대한 매트릭스 구동 회로(matrix drive circuitry)의 배치의 일 실시 예를 예시한다.
도 13은 TFT 패키지의 일 실시 예를 예시한다.
도 14는 동시 송신 및 수신 경로(simultaneous transmit and receive paths)를 갖춘 통신 시스템의 일 실시 예의 블록도이다.
The invention will be more fully understood from the detailed description given below and the accompanying drawings of various embodiments of the invention, but should not be taken to limit the invention to the specific embodiments, which are for illustration and understanding only.
1 is a flowchart of an embodiment of a method for using a satellite antenna for communication.
Figure 2 is a flowchart of an embodiment of a method for using a satellite antenna for communication.
Figure 3 illustrates an embodiment of a beam splitting antenna system.
Figure 4 is a block diagram of an alternative beam splitting antenna system.
FIG. 5A is a timing diagram of antenna beam switching for tracking and handing off satellites.
5B illustrates an example of transmit (Tx) beam splitting and handoff and corresponding timing diagram.
Figure 6 illustrates a schematic diagram of one embodiment of a cylindrically fed holographic radial aperture antenna.
Figure 7 illustrates a perspective view of a row of antenna elements including a ground plane and a reconfigurable resonator layer.
Figure 8A illustrates one embodiment of a tunable resonator/slot.
Figure 8B illustrates a cross-sectional view of one embodiment of a physical antenna aperture.
9A to 9D illustrate an example of multiple layers for creating a slotted array.
Figure 10 illustrates a side view of one embodiment of a cylindrically fed antenna structure.
11 illustrates another embodiment of an antenna system with outgoing waves.
Figure 12 illustrates one embodiment of the arrangement of matrix drive circuitry for antenna elements.
Figure 13 illustrates one embodiment of a TFT package.
Figure 14 is a block diagram of one embodiment of a communication system with simultaneous transmit and receive paths.

이하의 설명에 있어서, 많은 세부 사항이 본 발명의 보다 철저한 설명을 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 당업자에게는 본 발명이 이들 구체적인 세부사항 없이 실행될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 다른 경우에 있어서, 본 발명을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해, 잘 알려진 구조체 및 장치는 상세하게 보다는 블록도 형태로 도시된다.In the following description, numerous details are set forth to provide a more thorough explanation of the invention. However, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form rather than in detail, to avoid obscuring the present invention.

본 발명의 실시 예는 비정지 및 정지 위성 콘스텔레이션(nonstationary and stationary satellite constellations)을 추적하고 연결이 하나의 위성으로부터 다른 위성으로의 이행 동안 유지되도록 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면 안테나로부터 발생된 2개의 동시 및 독립 빔 사이에서 위성 트래픽(satellite traffic)을 핸드오프(handoff)하기 위한 방법 및 시스템 아키텍처를 포함한다. 다른 실시 예에 있어서, 이는 전송 트래픽(transmit traffic)의 핸드 오프를 포함한다. 본 명세서에 개시된 기술을 이용함으로써, 비-정지, 정지 위성 또는 우주선 사이에서 MBB(make-be-break) 핸드 오프가 가능하게 된다.Embodiments of the present invention track nonstationary and stationary satellite constellations and maintain a connection during transition from one satellite to another. Includes a method and system architecture for handoff of satellite traffic between simultaneous and independent beams. In another embodiment, this includes handoff of transmit traffic. By using the techniques disclosed herein, make-be-break (MBB) handoff is possible between non-geostationary, geostationary satellites or spacecraft.

여기서 설명된 기술은 이하 설명된 것과 같은 많은 혁신을 포함한다. 예컨대, 일 실시 예에 있어서, 콘스텔레이션 내에서 2개의 위성을 추적하고 이어 초기 위성으로부터 새로운 이어지는 위성으로 트래픽을 끊김없이 핸드 오프하도록 하나의 전자적으로 스티어링되는 평면 안테나로 2개의 빔이 동시에 발생된다.The technology described herein includes many innovations such as those described below. For example, in one embodiment, two beams are generated simultaneously with one electronically steered flat antenna to track two satellites within a constellation and then seamlessly hand off traffic from the initial satellite to the new subsequent satellite. .

일 실시 예에 있어서, 하나의 전자적으로 스티어링되는 안테나는 RF 링크가 기존 위성과 차단되기 전에 RF 연결이 새로운 위성과 이루어지는 MBB(make-before-break) 연결을 실행하기 위해 이용된다.In one embodiment, a single electronically steered antenna is used to implement a make-before-break (MBB) connection in which an RF connection is established with a new satellite before the RF link is broken with the existing satellite.

도 1은 통신용 위성 안테나를 이용하기 위한 방법의 일 실시 예의 흐름도이다. 일 실시 예에 있어서, 프로세스는 하드웨어(예컨대, 회로, 전용 로직, 등), 소프트웨어(예컨대, 칩 상에서 실행되는 소프트웨어), 펌웨어, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 처리 로직에 의해 수행된다. 일 실시 예에 있어서, 위성 안테나는 평면-패널 안테나(flat-panel antenna)이다. 다른 실시 예에 있어서, 위성 안테나는 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나이다. 이러한 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나의 예가 이하 더욱 상세히 설명된다.1 is a flowchart of an embodiment of a method for using a satellite antenna for communication. In one embodiment, the process is performed by processing logic, which may include hardware (e.g., circuitry, dedicated logic, etc.), software (e.g., software running on a chip), firmware, or a combination thereof. In one embodiment, the satellite antenna is a flat-panel antenna. In another embodiment, the satellite antenna is an electronically steered flat-panel antenna. An example of such an electronically steered flat-panel antenna is described in greater detail below.

도 1을 참조하면, 프로세스는 안테나가 제1 위성을 추적하기 위해 추적하는 동안 단일 수신 빔을 발생시키고 있는 단일 빔 구성(또는 모드)에서 안테나(예컨대, 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나)를 동작시키는 처리 로직에 의해 시작한다(처리 블록 101). 일 실시 예에 있어서, 단일 빔 구성에서 안테나를 동작시키는 것은 빔형성(beamforming)을 위해 전자적으로 스티어링되는 안테나 빔 패턴(electronically steered antenna beam pattern)을 발생시키는 것과, 한 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트(a set of RF radiating antenna elements)(예컨대, 이에 한정되지는 않지만, 예컨대 이하 설명되는 것과 같은, 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트(surface scattering metamaterial antenna elements))를 갖춘 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나의 안테나 개구면에 대해 빔 패턴을 보내는 것, 및 안테나 패턴을 기초로 RF 방사 안테나 엘리먼트로 수신 빔(receive beam)을 발생시키는 것을 포함한다.1, the process includes operating an antenna (e.g., an electronically steered flat-panel antenna) in a single beam configuration (or mode) in which the antenna is generating a single received beam while tracking to track a first satellite. The order is initiated by processing logic (processing block 101). In one embodiment, operating the antenna in a single beam configuration involves generating an electronically steered antenna beam pattern for beamforming and a set of RF radiating antenna elements (a). A set of RF radiating antenna elements (e.g., but not limited to, an electronically steered flat-panel antenna with surface scattering metamaterial antenna elements, such as, but not limited to, those described below) It involves directing a beam pattern to a spherical surface and generating a receive beam with an RF radiating antenna element based on the antenna pattern.

이어서, 처리 로직은 다수의 위성을 추적하기 위해 추적하는 동안 안테나가 2 이상의 수신 빔을 발생시키고 있는 다중-빔 구성(multi-beam configuration)(예컨대, 이중-수신 빔 구성)에서 안테나를 동작시키되, 제1 위성을 가리키고 추적하는 수신 빔을 발생시키도록 계속하는 동안 동시에 제2 위성을 추적하기 위해 안테나로 적어도 하나의 부가 수신 빔을 발생시키는 것을 포함한다(처리 블록 102). 일 실시 예에 있어서, 다중-빔 모드가 이중-빔 모드에 있을 때, 안테나는 2개의 위성을 가리키고 추적하기 위해 2개의 수신 빔을 발생시키고, 여기서 2개의 위성은 이전의 단일-빔 구성 동안 안테나가 가리키고 추적하고 있었던 위성과 안테나가 신호를 획득하고 다중-빔 구성에 있는 동안 제2 빔으로 추적을 시작한 새로운 위성을 포함한다.The processing logic then operates the antenna in a multi-beam configuration (e.g., a dual-receive beam configuration) in which the antenna is generating two or more receive beams during tracking to track multiple satellites, and simultaneously generating at least one additional receive beam with the antenna to track the second satellite while continuing to generate a receive beam to point and track the first satellite (processing block 102). In one embodiment, when the multi-beam mode is in the dual-beam mode, the antenna generates two received beams to point and track two satellites, where the two satellites are connected to the antenna during the previous single-beam configuration. Includes the satellite that was pointed and tracked and a new satellite that began tracking with a second beam while the antenna acquired a signal and was in a multi-beam configuration.

그 후, 부가 위성을 추적한 후, 처리 로직은 다중-빔 구성 동안 신호가 획득되었던 새로운 위성을 가리키고 추적하는 단일 수신 빔을 갖는 단일 빔 구성에서 안테나를 동작시키도록 되돌아가되, 이전의 단일 빔 구성에 있는 동안 추적되고 있는 위성으로부터 새로운 위성으로 트래픽을 핸드 오프하는 것을 포함한다(처리 블록 103). 일 실시 예에 있어서, 트래픽을 핸드 오프하는 것은 연결이 이전에 추적된 위성으로부터 새로운 위성으로의 이행 내내 유지되도록 끊김없이 수행된다.Then, after tracking the additional satellite, the processing logic returns to operating the antenna in a single beam configuration with a single receive beam pointing and tracking the new satellite from which signals were acquired during the multi-beam configuration, but not the previous single beam configuration. and handing off traffic from the satellite being tracked to the new satellite while in configuration (processing block 103). In one embodiment, handing off traffic is performed seamlessly such that the connection is maintained throughout the transition from a previously tracked satellite to a new satellite.

도 2는 통신용 위성 안테나를 이용하기 위한 방법의 일 실시 예의 흐름도이다. 일 실시 예에 있어서, 프로세스는 하드웨어(예컨대, 회로, 전용 로직, 등), 소프트웨어(예컨대, 칩 상에서 실행되는 소프트웨어), 펌웨어, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 처리 로직에 의해 수행된다. 일 실시 예에 있어서, 위성 안테나는 평면-패널 안테나이다. 다른 실시 예에 있어서, 위성 안테나는 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나이다. 이러한 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나의 예가 이하 더욱 상세히 설명된다.Figure 2 is a flowchart of an embodiment of a method for using a satellite antenna for communication. In one embodiment, the process is performed by processing logic, which may include hardware (e.g., circuitry, dedicated logic, etc.), software (e.g., software running on a chip), firmware, or a combination thereof. In one embodiment, the satellite antenna is a flat-panel antenna. In another embodiment, the satellite antenna is an electronically steered flat-panel antenna. An example of such an electronically steered flat-panel antenna is described in greater detail below.

도 2를 참조하면, 프로세스는 안테나의 안테나 개구면 상의 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트(예컨대, 이에 한정되지는 않지만, 예컨대 이하 설명되는 것과 같은, 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트(surface scattering metamaterial antenna elements))를 이용하여 제1 위성을 가리키고 추적하는 단일 수신 빔(single receive beam)을 발생시키기 위해 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나(electronically steered flat-panel antenna)를 제어하는 처리 로직에 의해 시작한다(처리 블록 201). 일 실시 예에 있어서, 처리 로직은 빔형성을 위해 전자적으로 스티어링되는 안테나 패턴을 발생시키는 것과, 한 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 안테나의 안테나 개구면으로 수신 빔 패턴을 보내는 것, 및 패턴을 기초로 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트로 단일 수신 빔을 발생시키는 것에 의해 안테나를 제어한다.2, the process includes forming a first set of RF radiating antenna elements (e.g., surface scattering metamaterial antenna elements, such as, but not limited to, those described below) on the antenna aperture of the antenna. )) is initiated by processing logic that controls an electronically steered flat-panel antenna to generate a single receive beam that points and tracks the first satellite using ( Processing block 201). In one embodiment, the processing logic includes generating an electronically steered antenna pattern for beamforming, directing a received beam pattern to an antenna aperture of an antenna having a set of RF radiating antenna elements, and based on the pattern. Control the antenna by generating a single receive beam with a first set of RF radiating antenna elements.

제1 위성을 추적하는 동안, 처리 로직은 안테나가 제1 및 제2 수신 빔을 동시에 발생시키고 있는 2개 수신 빔 구성(two-receive beam configuration)으로 안테나를 스위칭하도록 결정한다(처리 블록 202). 일 실시 예에 있어서, 2개 빔 구성으로 안테나를 스위칭하기 위한 이 결정은 안테나가 제1 위성의 시야를 벗어나고 통신을 계속하기 위해 제2 위성을 찾을 필요가 있을 때 이루어진다.While tracking the first satellite, processing logic determines to switch the antenna to a two-receive beam configuration in which the antenna is simultaneously generating first and second receive beams (processing block 202). In one embodiment, this decision to switch the antenna to a two beam configuration is made when the antenna is out of sight of the first satellite and needs to find a second satellite to continue communications.

2개 수신 빔 구성에 대해 스위칭하기 위한 결정 후, 처리 로직은 제1 위성을 추적하기 위해 제1 빔을 발생시키도록 계속하는 동안 제2 (다른) 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 제2 빔을 발생시키도록 안테나를 제어하고, 여기서 제1 및 제2 수신 빔은 안테나 개구면의 각각의 2세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 이용하여 동시에 발생되고(처리 블록 203), 이어 제2 빔을 이용하여 제2 위성의 신호를 획득한다(처리 블록 204). 이 경우에 있어서, 제1 빔은 제1 위성을 가리키고 추적하는 반면 제2 빔은 제2 위성을 가리키고 있다.After the decision to switch to the two receive beam configurations, processing logic generates a second beam to acquire signals from a second (different) satellite while continuing to generate a first beam to track the first satellite. Control the antenna so that the first and second received beams are generated simultaneously using each of the two sets of RF radiating antenna elements of the antenna aperture (processing block 203), and then the second received beam is generated simultaneously using the second beam. Acquire signals from the satellite (processing block 204). In this case, the first beam is pointing and tracking the first satellite while the second beam is pointing and tracking the second satellite.

일 실시 예에 있어서, 제1 및 제2 빔은 다른 주파수에 있는 캐리어(carriers)를 가리킨다. 일 실시 예에 있어서, 제1 및 제2 빔은 다른 안테나 이득을 갖고, 여기서 제2 빔에 대한 이득은 제1 빔에 대한 이득보다 더 낮다. 일 실시 예에 있어서, 이는 제2 빔이 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 이용될 때 야기된다. 일 실시 예에 있어서, 제2 빔은 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 이용될 때 제1 빔보다 더 넓다. 일 실시 예에 있어서, 빔은 신호의 정확한 위치에 대해 몇몇 불확실성(uncertainty)이 있을 때 신호를 캡처할 수 있도록 더 넓게 만들어진다. 일 실시 예에 있어서, 빔을 넓히기 위한 양은 신호의 위치에 관한 불확실성의 정도에 따른다. 하나의 예시적인 실시 예에 있어서, 가르키고 추적하는 동안 빔이 2도 미만의 폭이면, 획득을 위한 빔은 (이에 한정되는 것은 아니지만) 약 10도의 폭으로 넓어진다. 이는 단지 예일 뿐이고, 빔은 획득하는 동안 폭이 10도로 제한되지 않음을 유의해야 한다. 그러나, 빔이 너무 넓으면 다른 위성을 포착할 위험이 있다.In one embodiment, the first and second beams point to carriers at different frequencies. In one embodiment, the first and second beams have different antenna gains, where the gain for the second beam is lower than the gain for the first beam. In one embodiment, this occurs when a second beam is used to acquire a signal from a second satellite. In one embodiment, the second beam is wider than the first beam when used to acquire a signal from a second satellite. In one embodiment, the beam is made wider to capture the signal when there is some uncertainty about the exact location of the signal. In one embodiment, the amount to widen the beam depends on the degree of uncertainty regarding the location of the signal. In one example embodiment, if the beam is less than 2 degrees wide during pointing and tracking, the beam for acquisition is broadened to (but is not limited to) a width of approximately 10 degrees. It should be noted that this is just an example and the beam is not limited to 10 degrees in width during acquisition. However, if the beam is too wide, there is a risk of capturing other satellites.

일 실시 예에 있어서, 2개의 빔을 동시에 발생시키기 위한 2세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트는 서로 다르지만 안테나의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 일부분이다. 일 실시 예에 있어서, 이중-수신 빔 구성(dual-receive beam configuration)에서 안테나를 동작시킬 때 2개의 빔을 동시에 발생시키기 위한 2세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트는 단일-빔 구성에서 안테나를 동작시킬 때 하나의 빔을 발생시키기 위해 이용되는 RF 방사 안테나 엘리먼트의 일부분, 또는 모두를 포함한다.In one embodiment, two sets of RF radiating antenna elements for simultaneously generating two beams are different but part of the RF radiating antenna elements of the antenna. In one embodiment, two sets of RF radiating antenna elements are provided to simultaneously generate two beams when operating the antenna in a dual-receive beam configuration. Includes some or all of the RF radiation antenna elements used to generate a single beam.

일 실시 예에 있어서, 2세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트는 다른 수(예컨대, 제1 빔을 발생시키기 위해 이용되는 안테나 엘리먼트의 75%와 신호 획득 동안 제2 빔을 발생시키기 위해 이용되는 안테나 엘리먼트의 25%)의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 갖는다. 각 빔을 발생시키기 위해 이용되는 엘리먼트의 수는 최소 이득 레벨(minimum gain level)을 위한 위성에 의존한다. 일 실시 예에 있어서, 특정 위성/시나리오에 대해, 10+ dB 신호 대 잡음비 (SNR)가 있을 수 있어서 두 방사 패턴은 그 만큼 오프셋될 수 있다. 그러나, 다른 시나리오에서는 10+ dB보다 크거나 작은 차이가 충분할 수 있다.In one embodiment, the two sets of RF radiating antenna elements are of different numbers (e.g., 75% of the antenna elements used to generate the first beam and 25% of the antenna elements used to generate the second beam during signal acquisition). %) of RF radiating antenna elements. The number of elements used to generate each beam depends on the satellite for minimum gain level. In one embodiment, for a particular satellite/scenario, there may be a 10+ dB signal-to-noise ratio (SNR), so the two radiation patterns may be offset by that much. However, in other scenarios a difference greater or less than 10+ dB may be sufficient.

일 실시 예에 있어서, 안테나 개구면은 제2 빔으로 새로운 위성의 신호 획득에 이용하기 위해 전용된 한 세트의 RF 안테나 엘리먼트를 포함한다.In one embodiment, the antenna aperture includes a set of RF antenna elements dedicated for use in signal acquisition of new satellites with the secondary beam.

일 실시 예에 있어서, 제2 및 제3 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트는 피드 파(feed wave)에 대한 중앙 피드(central feed) 주위의 링에 있고, 더욱이 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 각 링은 제3 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트에서 RF 방사 안테나 엘리먼트의 링 사이에 있다. 일 실시 예에 있어서, 제2 및 제3 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트는 피드 파에 대한 중앙 피드 주위의 링에 있고, 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트는 제3 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 링과 비교하여 중앙 피드에 가장 가까운 링에 있다. 링의 예가 이하 더욱 상세히 설명된다. 예컨대, 도 6에 있어서, 모든 홀수 또는 짝수 링은 제2 세트의 RF 방사 엘리먼트에 대해 이용되는 반면, 다른 링은 제3 세트의 RF 방사 엘리먼트에 대해 이용된다. 마찬가지로, 도 6에 있어서, 원통형 피드(cylindrical feed)에 가장 가까운 링의 세트는 제2 세트의 RF 방사 엘리먼트에 대해 이용되는 반면, 다른 링은 제3 세트의 RF 방사 엘리먼트에 대해 이용된다.In one embodiment, the second and third sets of RF radiating antenna elements are in a ring around a central feed for the feed wave, further comprising each ring of the second set of RF radiating antenna elements. is between the rings of RF radiating antenna elements in the third set of RF radiating antenna elements. In one embodiment, the second and third sets of RF radiating antenna elements are in a ring around a central feed for the feed wave, and the second set of RF radiating antenna elements is in a ring of RF radiating antenna elements of the third set. In comparison, it is located in the ring closest to the central feed. Examples of rings are described in more detail below. For example, in Figure 6, all odd or even rings are used for the second set of RF radiating elements, while other rings are used for the third set of RF radiating elements. Likewise, in Figure 6, the set of rings closest to the cylindrical feed is used for the second set of RF radiating elements, while the other ring is used for the third set of RF radiating elements.

일 실시 예에 있어서, 제2 수신 빔을 가리키기 위해 RF 방사 엘리먼트에 적용되는 제2 패턴은 제2 위성의 예측된 위치(predicted location)를 가리킨다. 일 실시 예에 있어서, 예측된 위치는 명령된 2-라인 엘리먼트(TLE; two-line elements)를 기초로 한다.In one embodiment, the second pattern applied to the RF radiating element to point the second received beam indicates the predicted location of the second satellite. In one embodiment, the predicted position is based on commanded two-line elements (TLE).

제2 위성의 신호 획득 후, 처리 로직은 안테나가 각각의 제1 및 제2 위성을 추적하도록 동시에 제1 및 제2 수신 빔을 발생시키고 있는 이중-수신 빔 구성(dual-receive beam configuration)(모드)에서 동작하도록 안테나를 제어한다(처리 블록 205). 일 실시 예에 있어서, 이중-수신 빔 모드에 있을 때, 안테나는 2개의 위성을 동시에 가리키고 추적하기 위해 2개의 수신 빔을 발생시키고, 여기서 2개의 위성은 안테나가 제2 위성의 신호 획득 이전에 단일-빔 구성 동안 가리키고 추적하고 있었던 위성과, 안테나가 다중-빔 구성에 있는 동안 신호를 획득하고 추적을 시작한 제2 위성을 포함한다.After acquiring the signal of the second satellite, the processing logic is configured to configure a dual-receive beam configuration (mode) in which the antenna is simultaneously generating the first and second receive beams to track each first and second satellite. ) to control the antenna to operate (processing block 205). In one embodiment, when in dual-receive beam mode, the antenna generates two receive beams to simultaneously point and track two satellites, wherein the two satellites receive a single signal before the antenna acquires the signal of the second satellite. - Includes a satellite that was pointing and tracking during the beam configuration and a second satellite that acquired signals and began tracking while the antenna was in the multi-beam configuration.

그 후, 제2 위성의 추적이 시작된 후, 처리 로직은 제2 위성을 가리키고 추적하는 단일 수신 빔을 갖는 단일-빔 구성에서 안테나를 동작시키도록 되돌아가되, 제1 위성으로부터 제2 위성으로 트래픽을 핸드 오프하는 것을 포함한다(처리 블록 206). 일 실시 예에 있어서, 트래픽을 핸드 오프하는 것은 제1 위성으로부터 제2 위성으로의 이행 내내 연결이 유지되도록 끊김없이 수행된다. 일 실시 예에 있어서, 제1 위성과 제2 위성 간에서 트래픽을 핸드 오프하는 것은 위성 사이에서 트래픽을 스위칭하는 잘 알려진 방식으로 야기된다.Then, after tracking of the second satellite has begun, the processing logic reverts to operating the antenna in a single-beam configuration with a single receive beam pointing and tracking the second satellite, but with no traffic from the first satellite to the second satellite. and handing off (processing block 206). In one embodiment, handing off traffic is performed seamlessly so that the connection is maintained throughout the transition from the first satellite to the second satellite. In one embodiment, handing off traffic between a first satellite and a second satellite is effected in the well-known manner of switching traffic between satellites.

위에서 설명된 기술은 위성 통신에 이용되는 안테나에 의해 수행된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나는 복수의 전자적으로 제어되는 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트(예컨대, 아래에서 더욱 상세히 설명되는 것과 같은 표면 산란 메타물질 안테나 엘리먼트 또는 공진기)를 갖는 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나 개구면, 및 안테나 개구면이 제1 위성을 추적하기 위해 안테나 개구면으로 제1 빔을 발생시키고, 제1 빔을 발생시키면서 동시에 제2 위성을 추적하기 위해 안테나 개구면으로 제2 빔을 발생시키며, 제1 위성으로부터 제2 위성으로 트래픽을 핸드오프하도록 안테나 개구면을 제어하기 위해 안테나 개구면에 결합된 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 프로세서는 제1 위성으로부터 제2 위성으로의 이행 내내 연결이 유지되도록 제1 위성과 제2 위성 사이에서 끊김없이 트래픽을 핸드오프한다.The techniques described above are performed by antennas used in satellite communications. In one embodiment, the antenna is an electronically steered plane-plane having a plurality of electronically controlled radio frequency (RF) radiating antenna elements (e.g., surface scattering metamaterial antenna elements or resonators as described in more detail below). A panel antenna aperture, and the antenna aperture generates a first beam to the antenna aperture to track a first satellite, and simultaneously generates the first beam and sends a second beam to the antenna aperture to track a second satellite. and one or more processors coupled to the antenna aperture to control the antenna aperture to handoff traffic from the first satellite to the second satellite. In one embodiment, the processor seamlessly hands off traffic between the first satellite and the second satellite such that connectivity is maintained throughout the transition from the first satellite to the second satellite.

일 실시 예에 있어서, 제2 위성을 추적하기 위해 제2 빔을 발생시키기 이전에, 프로세서는 제1 빔을 발생시키는 동안 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 제2 빔을 발생시키도록 안테나 개구면을 제어한다. 일 실시 예에 있어서, 프로세서는, 주파수가 다른 캐리어를 가리키기 위해 각각의 제1 및 제2 빔을 발생시키도록 안테나 개구면의 각각의 제1 및 제2 세트의 무선-주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트의 제1 및 제2 세트에 적용하기 위한 제1 및 제2 패턴을 발생시킨다.In one embodiment, prior to generating the second beam to track the second satellite, the processor configures the antenna aperture to generate the second beam to acquire a signal from the second satellite while generating the first beam. control. In one embodiment, the processor is configured to configure respective first and second sets of radio-frequency (RF) radiating antennas in the antenna aperture to generate respective first and second beams to point to carriers of different frequencies. Generate first and second patterns for application to the first and second sets of elements.

도 3은 두 위성 사이에서 통신을 핸드오프하는 것(handing off)을 용이하게 하기 위해 동시에 하나의 수신 빔 또는 2개의 수신 빔을 발생시킬 수 있는 위성 안테나 아키텍처의 예이다.3 is an example of a satellite antenna architecture that can generate one or two receive beams simultaneously to facilitate handing off communications between two satellites.

도 3을 참조하면, 호스트 프로세서(302; host processor)는 위성 위치(예컨대, 위도와 경도) 및 편파 정보(polarization information)를 수신하고, 이들 입력에 응답하여, 안테나 시스템 모듈(ASM; antenna system module)(301)의 안테나 개구면의 안테나 엘리먼트에 제공되어 제어하는 포인팅 및 추적 정보(pointing and tracking information)를 발생시키는 것에 의해 안테나 수신 포인팅(antenna receive pointing)을 수행한다. RF 방사 안테나 엘리먼트(예컨대, 표면 산란 안테나 엘리먼트 또는 공진기)를 갖춘 이러한 안테나 개구면의 예가 이하 더욱 상세히 설명된다. 일 실시 예에 있어서, 포인팅 및 추적 정보는 여기서 설명된 바와 같은 RF 방사 안테나 엘리먼트를 제어하는데 이용되는 전자적으로 제어되는 안테나 파 패턴(electronically controlled antenna wave patterns)과 연관된다.Referring to FIG. 3, a host processor 302 receives satellite positions (e.g., latitude and longitude) and polarization information and, in response to these inputs, generates an antenna system module (ASM). ) Performs antenna receive pointing by generating pointing and tracking information that is provided to and controls the antenna element of the antenna aperture of 301. Examples of such antenna apertures with RF radiating antenna elements (e.g., surface scattering antenna elements or resonators) are described in greater detail below. In one embodiment, pointing and tracking information is associated with electronically controlled antenna wave patterns used to control RF radiating antenna elements as described herein.

일 실시 예에 있어서, 포인팅 및 추적 정보는 포인팅 각도(pointing angle)(예컨대, 세타(theta), 파이(phi)), 주파수 정보 및 심볼 레이트 정보(symbol rate information)를 포함한다. 세타 범위는 [0,90]도일 수 있고, 파이 범위는 [0,360] 도일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 호스트 프로세서(302)는 또한 ASM(301)의 안테나 개구면에 제공되는 편파 값(polarization values)을 발생시킨다. 편파 값은 [0,360]도로부터의 범위일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 편파 값은 당 업계에 잘 알려진 방식으로 호스트 프로세서(302)에 의해 발생된다.In one embodiment, pointing and tracking information includes pointing angle (eg, theta, phi), frequency information, and symbol rate information. The theta range may be [0,90] degrees, and the pi range may be [0,360] degrees. In one embodiment, host processor 302 also generates polarization values that are provided to the antenna aperture of ASM 301. Polarization values can range from [0,360] degrees. In one embodiment, the polarization value is generated by the host processor 302 in a manner well known in the art.

ASM(301)의 안테나 개구면의 수신부는 위성으로부터 RF 신호를 획득하고 이를 모뎀(303)에 제공하도록 빔을 생성하기 위해 새로운 포인팅 각도를 이용한다. 일 실시 예에 있어서, 포인팅 정보의 하나의 세트만이 호스트 프로세서(302)에 의해 ASM(301)으로 보내질 때, ASM(301)의 안테나 개구면은 (전송을 위해 이용된 것과는 반대로) 수신 전송(receive transmissions)을 위해 지정된 모든 RF 방사 안테나 엘리먼트를 이용하여 하나의 수신 빔을 발생시키고 수신 빔은 위성으로부터 RF 신호를 획득하기 위해 이용된다.The receiving portion of the antenna aperture of ASM 301 uses the new pointing angle to generate a beam to obtain RF signals from the satellite and provide them to modem 303. In one embodiment, when only one set of pointing information is sent by the host processor 302 to ASM 301, the antenna aperture of ASM 301 (as opposed to that used for transmission) is used for receiving and transmitting (as opposed to transmitting). A single receive beam is generated using all RF radiating antenna elements designated for receive transmissions, and the receive beam is used to acquire RF signals from the satellite.

수신된 RF 신호에 응답하여, 모뎀(303)은 수신되는 Rx 신호와 관련하여 수신 메트릭(receive metrics)(예컨대, SNR, C/N, 등)을 발생시킨다. 일 실시 예에 있어서, 수신 메트릭은 신호가 당 업계에 잘 알려진 방식으로 하나 이상의 소정의 기준(예컨대, 소정의 임계 값보다 큰 SNR 또는 C/N)에 부합하는가의 여부를 기초로 위성 신호가 발견되었는지의 여부를 나타낸다.In response to the received RF signal, modem 303 generates receive metrics (eg, SNR, C/N, etc.) in connection with the received Rx signal. In one embodiment, the reception metric determines whether a satellite signal is discovered based on whether the signal meets one or more predetermined criteria (e.g., SNR or C/N greater than a predetermined threshold) in a manner well known in the art. Indicates whether it has been done or not.

일 실시 예에 있어서, 호스트 프로세서(302)는 ASM(301)의 안테나 개구면에 포인팅 및 추적 정보의 2세트를 제공하고, 포인팅 및 추적 정보의 각 세트는, ASM(301)이 빔 1 및 2를 발생시킬 수 있도록 하기 위해, ASM(301)의 안테나 개구면의 안테나 엘리먼트의 다른 세트를 제어하기 위한 것이다. 즉, 호스트 프로세서(302)는 ASM(301)의 안테나 개구면의 안테나 엘리먼트의 다른 세트를 이용하여 동시에 2개의 수신 빔을 발생시키기 위해 포인팅 및 추적 정보의 2세트를 ASM(301)에 보낸다. 일 실시 예에 있어서, 2개의 수신 빔은 한 세트의 안테나 엘리먼트를 (예컨대, 안테나 엘리먼트의 모든 다른 링, 또는 링 또는 분포의 모든 다른 안테나 엘리먼트, 또는 랜덤하게 분포된) 2개의 그룹으로 분할하는 것 및 해당 엘리먼트 형태의 동적 대역폭(dynamic bandwidth) 내에서 동일한 주파수 또는 다른 주파수로 2개의 독립적 빔을 형성하는 것에 의해 발생된다. 이는 다른 세타 또는 동일한 세타에 있을 수 있다.In one embodiment, host processor 302 provides two sets of pointing and tracking information to the antenna apertures of ASM 301, each set of pointing and tracking information allowing ASM 301 to transmit beams 1 and 2. It is intended to control different sets of antenna elements of the antenna aperture of the ASM 301 in order to be able to generate . That is, the host processor 302 sends two sets of pointing and tracking information to the ASM 301 to generate two receive beams simultaneously using different sets of antenna elements in the antenna aperture of the ASM 301. In one embodiment, the two receive beams split a set of antenna elements into two groups (e.g., all different rings of antenna elements, or all different antenna elements in a ring or distribution, or randomly distributed). and by forming two independent beams with the same or different frequencies within the dynamic bandwidth of the corresponding element type. This may be in a different theta or the same theta.

일 실시 예에 있어서, 전자적으로 스티어링되는 안테나 패턴을 발생시키기 위해, 호스트 프로세서(302)는 목표 위성의 추적을 시작하도록 ASM(301) 상의 안테나 제어 프로세스(ACP; antenna control process) 모듈에 명령을 보내고, 정보에 응답하여, ACP 모듈은 셋업 정보(setup information)를 보내고 서비스에 대해 포인팅 벡터(pointing vectors)를 연속적으로 계산하여 보낸다. 일 실시 예에 있어서, ACP 모듈은 셋업 정보로서 ASM(301)에서 안테나 개구면에 대한 편파 값과 동작 주파수(예컨대, f1, f2)로 구성된 셋업 및 포인팅 정보(setup and pointing information)와, 포인팅 정보로서 세타, 파이 및 선형 편파 각도(LPA; linear polarization angle)를 갖춘 포인팅 벡터를 패턴 발생 서비스(pattern generation service)에 보낸다.In one embodiment, to generate an electronically steered antenna pattern, the host processor 302 sends commands to the antenna control process (ACP) module on the ASM 301 to begin tracking the target satellite. , In response to the information, the ACP module sends setup information and continuously calculates and sends pointing vectors to the service. In one embodiment, the ACP module includes setup and pointing information consisting of polarization value and operating frequency (e.g., f1, f2) for the antenna aperture in the ASM 301 as setup information, and pointing information. A Poynting vector with theta, phi, and linear polarization angle (LPA) is sent to the pattern generation service.

셋업 및 포인팅 정보에 응답하여, 서비스는 2개의 수신 빔을 형성하기 위해 안테나 개구면의 안테나 엘리먼트(예컨대, RF 방사 안테나 엘리먼트(예컨대, 메타물질 산란 안테나 엘리먼트(metamaterial scattering antenna elements)))를 제어하는 전자적으로 스티어링되는 복수의 안테나 패턴을 제공한다. 일 실시 예에 있어서, 이 서비스는 ASM(301)의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 서비스를 포함한다. 다른 실시 예에 있어서, 이 서비스는 ASM(301)의 하드웨어를 포함한다.In response to the setup and pointing information, the service controls antenna elements (e.g., RF radiating antenna elements (e.g., metamaterial scattering antenna elements)) of the antenna aperture to form two receive beams. Provides a plurality of electronically steered antenna patterns. In one embodiment, this service includes software services executed by one or more processors of ASM 301. In another embodiment, this service includes hardware in ASM 301.

일 실시 예에 있어서, 패턴 발생 서비스는 패턴에 대응하는 FPGA로 빔형성 파라미터(beamforming parameters)를 로드한다. 응답에 있어서, FPGA는 (각 패턴에 대한) 디지털-아날로그(DAC) 값의 형태로 전자적으로 스티어링되는 안테나의 안테나 엘리먼트에 패턴을 출력한다. 특히, 안테나 개구면의 각 안테나 엘리먼트에 대한 DAC 값은 패턴 발생 서비스에 의해 제공된 빔형성 파라미터를 이용하여 FPGA에 의해 계산된다. 이어 FPGA는 계산된 패턴을 구동하기 위해 안테나 엘리먼트에 제어 신호를 출력한다. 일 실시 예에 있어서, DAC 값은 빔을 발생시키기 위해 안테나 개구면(도시되지 않았음)의 안테나 엘리먼트를 제어하기 위해 박막 트랜지스터(TFT)를 제어한다. TFT 및 그들 제어의 예가 이하 더욱 상세히 설명된다.In one embodiment, the pattern generation service loads beamforming parameters into the FPGA corresponding to the pattern. In response, the FPGA outputs the pattern to the antenna elements of the electronically steered antenna in the form of digital-to-analog (DAC) values (for each pattern). In particular, the DAC value for each antenna element of the antenna aperture is calculated by the FPGA using beamforming parameters provided by the pattern generation service. Then, the FPGA outputs a control signal to the antenna element to drive the calculated pattern. In one embodiment, the DAC value controls a thin film transistor (TFT) to control an antenna element in the antenna aperture (not shown) to generate a beam. Examples of TFTs and their control are described in more detail below.

각 2개의 빔, 빔 1 및 빔 2가 ASM(301)의 패턴 발생 서비스에 의해 발생된 패턴에 응답하여 형성된 후, ASM(301) 상의 수신기는 각 수신 빔의 이용으로부터 되돌아오는 신호를 수신하고 이를 다이플렉서(305; diplexer)에 제공한다. 다이플렉서(305)로부터, 신호는 LNB(Low Noise Block)(306)에 의해 처리되고, 이는 당 업계에 잘 알려진 방식으로 잡음 필터링 기능(noise filtering function)과 다운 컨버젼 및 증폭 기능(down conversion and amplification function)을 수행한다. 도 3에 있어서, 일 실시 예에 있어서, 2개의 빔으로부터의 신호는 주파수가 다름에 따라, LNB(306)는 동시에 양 주파수를 커버함을 유의해야 한다. 일 실시 예에 있어서, LNB(306)는 실외 유닛(ODU; out-door unit)에 있다. 다른 실시 예에 있어서, LNB(306)는 안테나 장치에 통합된다.After each of the two beams, Beam 1 and Beam 2, are formed in response to the pattern generated by the pattern generation service of ASM 301, the receiver on ASM 301 receives the signal returning from the utilization of each receive beam and It is provided to the diplexer (305). From the diplexer 305, the signal is processed by a Low Noise Block (LNB) 306, which provides a noise filtering function and a down conversion and amplification function in a manner well known in the art. amplification function). 3, it should be noted that in one embodiment, the signals from the two beams have different frequencies, so the LNB 306 covers both frequencies simultaneously. In one embodiment, LNB 306 is in an outdoor unit (ODU). In another embodiment, LNB 306 is integrated into an antenna device.

LNB(306)에 의한 신호 처리 후, 신호는 LNB(306)로부터 출력된 수신 신호로부터의 에너지를 Rx 전력 분배기(343; power divider) 및 (신호(331)로서) 모뎀(303)에 결합하는 방향성 커플러(344; directional coupler)로 보내진다. 일 실시 예에 있어서, 방향성 커플러(344)는 10dB 방향성 커플러이고; 그러나 다른 커플러가 이용될 수 있다.After signal processing by the LNB 306, the signal is directed to couple the energy from the received signal output from the LNB 306 to the Rx power divider 343 and the modem 303 (as signal 331). It is sent to the coupler (344; directional coupler). In one embodiment, directional coupler 344 is a 10 dB directional coupler; However, other couplers may be used.

Rx 전력 분배기(343)는 방향성 커플러(344)로부터 수신된 신호를 2개의 신호로 분할하고 하나의 신호를 추적 수신기(341; tracking receiver)로 보내고 다른 신호를 추적 수신기(342)로 보낸다. 일 실시 예에 있어서, 신호는 빔 1과 연관된 신호가 추적 수신기(341 및 342) 중 하나로 보내지는 반면, 빔 2와 연관된 신호는 추적 수신기(341 및 342) 중 다른 것으로 보내지도록 주파수를 기초로 분할된다. 안테나가 단일 빔 모드(single-beam mode)에서 동작하고 하나의 수신 빔만이 발생하면, Rx 전력 분배기(343)는 하나의 신호를 추적 수신기(341 또는 342) 중 하나에만 제공하고 다른 하나에는 신호를 제공하지 않는다. 일 실시 예에 있어서, Rx 전력 분배기는 다이플렉서이다. 대안적으로, Rx 전력 분배기(343)는 전력 분할기(power splitter) 또는 주파수 조정가능 필터(frequency adjustable filter)를 포함한다.The Rx power divider 343 splits the signal received from the directional coupler 344 into two signals and sends one signal to the tracking receiver 341 and the other signal to the tracking receiver 342. In one embodiment, the signal is split based on frequency such that the signal associated with beam 1 is sent to one of the tracking receivers 341 and 342, while the signal associated with beam 2 is sent to the other of the tracking receivers 341 and 342. do. When the antenna operates in single-beam mode and produces only one received beam, Rx power divider 343 provides one signal to only one of the tracking receivers 341 or 342 and provides a signal to the other. Not provided. In one embodiment, the Rx power divider is a diplexer. Alternatively, Rx power splitter 343 includes a power splitter or frequency adjustable filter.

신호(331)에 응답하여, 모뎀(303)은 당 업계에서 잘 알려진 방식으로 신호(331)를 처리한다. 보다 구체적으로, 모뎀(303)은 방향성 커플러(344)로부터 출력된 수신 신호를 디지털 형식으로 변환하기 위해 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog-to-digital converter)를 포함한다. 디지털 형식으로 변환되면, 신호는 수신된 파에 대해 인코딩된 데이터를 획득하기 위해 복조기에 의해 복조되고 디코더에 의해 디코딩된다. 디코딩된 데이터는 이를 그 목적지(예컨대, 컴퓨터 시스템)로 보내는 컨트롤러로 보내진다.In response to signal 331, modem 303 processes signal 331 in a manner well known in the art. More specifically, the modem 303 includes an analog-to-digital converter (ADC) to convert the received signal output from the directional coupler 344 into a digital format. Once converted to digital format, the signal is demodulated by a demodulator and decoded by a decoder to obtain encoded data for the received wave. The decoded data is sent to a controller that sends it to its destination (e.g., a computer system).

모뎀(303)은 또한 전송될 데이터를 인코딩하는 인코더를 포함한다. 인코딩된 데이터는 변조기에 의해 변조되고, 이어 아날로그 신호(332)를 발생시키기 위해 디지털-아날로그 변환기(DAC)(도시되지 않았음)에 의해 아날로그로 변환된다. 이어 아날로그 신호(332)가 BUC(block upconverter)(304)에 의해 필터링되고 다이플렉서(305) 중 하나의 포트에 제공된다. 일 실시 예에 있어서, BUC(304)는 실외 장치(ODU)에 있다. 당 업계에서 잘 알려진 방식으로 동작하는 다이플렉서(305)는 전송을 위해 ASM(301)에 전송 신호(332)를 제공한다.Modem 303 also includes an encoder that encodes the data to be transmitted. The encoded data is modulated by a modulator and then converted to analog by a digital-to-analog converter (DAC) (not shown) to generate an analog signal 332. The analog signal 332 is then filtered by a block upconverter (BUC) 304 and provided to one port of the diplexer 305. In one embodiment, BUC 304 is in an outdoor unit (ODU). Diplexer 305, operating in a manner well known in the art, provides a transmit signal 332 to ASM 301 for transmission.

일 실시 예에 있어서, 그 동작을 지원하기 위해 모뎀(303)은 중간 주파수에서 신호를 전송 및 수신하는 중간 주파수(IF) 트랜시버(310; intermediate frequency(IF) transceiver), 디지털 시스템에 대한 데이터를 검색하기 위해 다운-변환된 디지털 신호를 처리하는 디지털 베이스밴드 프로세서(311; digital baseband processor), 변조, 복조 및 그 다른 기능을 수행하기 위해 모뎀에 의해 이용된 파라미터, 데이터 테이블, 및 다른 정보를 저장하는 메모리(312), 모뎀(303)의 동작의 클럭킹(clocking)을 관리하기 위한 클럭 관리 유닛(313; clock management unit), 및 모뎀(303)의 전력 소비를 관리하기 위한 전력 관리 유닛(314; power management unit)을 포함한다. 이들 유닛은 달리 특정되지 않는 한 당 업계에 잘 알려진 방식으로 동작한다.In one embodiment, to support its operation, modem 303 includes an intermediate frequency (IF) transceiver 310, which transmits and receives signals at intermediate frequencies, and retrieves data for the digital system. A digital baseband processor 311 processes down-converted digital signals to store parameters, data tables, and other information used by the modem to perform modulation, demodulation, and other functions. Memory 312, a clock management unit 313 for managing clocking of operations of the modem 303, and a power management unit 314 for managing power consumption of the modem 303. management unit). These units operate in a manner well known in the art unless otherwise specified.

동작에 있어서, 일 실시 예에 있어서, 하나의 위성이 터미널 시야를 벗어나도록 시작함에 따라, ASM(301)의 안테나 개구면은 단일 빔 구성에서 2개의 빔으로 변경되고 제2 빔과 다음 위성과의 연결 설정을 시작하도록 제어된다. 일 실시 예에 있어서, 제2 빔은 단지 다음 위성의 위치를 찾아 연결하기 위한 것으로 다량의 데이터를 전송하지는 않고, 따라서 1차 빔에 대한 제2 빔의 이득이 더 낮아서 위성 터미널의 데이터 전송 레이트(data transmission rates)에 대한 영향을 줄이고 잠재적으로 최소화할 수 있다.In operation, in one embodiment, as one satellite begins to leave the terminal's field of view, the antenna aperture of ASM 301 changes from a single beam configuration to a two beam configuration and interconnects the second beam with the next satellite. Controlled to initiate connection establishment. In one embodiment, the secondary beam is only for locating and connecting to the next satellite and does not transmit a large amount of data, and therefore the gain of the secondary beam relative to the primary beam is lower, thereby reducing the data transmission rate of the satellite terminal ( The impact on data transmission rates can be reduced and potentially minimized.

일 실시 예에 있어서, 2개의 빔이 위성에 억세스하기 위해 단일의 전자적으로 스티어링된 평면 안테나와 동시에 발생되고, 이어 제1 빔으로부터 제2 빔으로 트래픽의 핸드오프가 끊김없이 일어나는 반면, 제1 빔과 제2 빔은 동일한 위성을 가리키고 있지만, 별개의 주파수(distinct frequencies)에 대해 위성 캐리어(satellite carriers)를 억세스하고 있다. 이에 대한 예가 도 4에 도시된다.In one embodiment, two beams are generated simultaneously with a single electronically steered planar antenna to access the satellite, followed by seamless handoff of traffic from the first beam to the second beam, while the first beam and the second beam are pointing to the same satellite, but are accessing satellite carriers on distinct frequencies. An example of this is shown in Figure 4.

도 4를 참조하면, 호스트 프로세서(401)는 포인팅 및 추적 정보(400; pointing and tracking information)를 발생시키고 이를 하나 또는 2개의 수신 빔을 위해 ASM(301)으로 보낸다. 일 실시 예에 있어서, 포인팅 및 추적 정보(400)는 세타(예컨대, Theta1), 파이(예컨대, Phi1), 주파수(예컨대, freq1, freq2), 및 심볼 레이트(예컨대, SR1) 정보를 포함한다. 이는 수신된 빔 1 및 2와 연관된 수신 신호와 연관된 SINR 값(예컨대, SINR1, SINR2) 또는 RSSI(Received Signal Strength Indicator)(예컨대, RSSI1, RSSI2)와 같은 신호 품질 정보 또는 메트릭에 대한 응답일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 이는 안테나 빔이 위성을 추적하고 있음을 나타내는 물리적 계층 동기화 신호(physical layer synchronization signals)(예컨대, PLsynch1, PLsynch2)에 대한 응답이다. 일 실시 예에 있어서, 신호 품질 정보 또는 메트릭 및 동기화 신호는 모뎀(303)으로부터 수신된다.Referring to FIG. 4, the host processor 401 generates pointing and tracking information 400 and sends it to the ASM 301 for one or two receive beams. In one embodiment, pointing and tracking information 400 includes theta (e.g., Theta1), phi (e.g., Phi1), frequency (e.g., freq1, freq2), and symbol rate (e.g., SR1) information. This may be in response to signal quality information or metrics, such as a Received Signal Strength Indicator (RSSI) (e.g., RSSI1, RSSI2) or a SINR value (e.g., SINR1, SINR2) associated with the received signal associated with received beams 1 and 2. . In one embodiment, this is a response to physical layer synchronization signals (eg, PLsynch1, PLsynch2) indicating that the antenna beam is tracking a satellite. In one embodiment, signal quality information or metrics and synchronization signals are received from modem 303.

빔 1 및 2를 이용하면, ASM(301)의 안테나 개구면은 하나 또는 2개의 위성으로부터 신호를 수신한다. 수신된 신호는, 위에서 논의된 바와 같이 동작하는, 다이플렉서(305)로 보내지고 이어 LNB(306)로 보내진다. LNB(306)로부터, 신호는 수신된 신호를 추적 수신 신호(tracking receive signal)(Rx1)(431) 및 추적 수신 신호(Rx2)(432)로 분할하는 2방향 전력 분배기(430; 2-way power divider)로 보내진다. 일 실시 예에 있어서, 추적 수신 신호(Rx1)(431) 및 추적 수신 신호(Rx2) (432)는 주파수 선택이 야기되는 모뎀(303) 내부의 RF 튜너(RF tuner)에서 종료된다. 이 경우, 전력 분배기(430)는 단순한 전력 분할기(simple power splitter)이다. 다른 실시 예에 있어서, 전력 분배기(430)는 추적 수신 신호(Rx1)(431) 및 추적 수신 신호(Rx2)(432)를 생산하도록 유입 신호(incoming signal)를 필터링하기 위해 대역통과 필터(bandpass filter)로서 동작한다. 이들 신호는 모뎀(303)으로 보내지고 상기한 바와 같이 처리된다.Using beams 1 and 2, the antenna aperture of ASM 301 receives signals from one or two satellites. The received signal is sent to diplexer 305 and then to LNB 306, operating as discussed above. From the LNB 306, the signal is sent to a 2-way power divider 430 that splits the received signal into a tracking receive signal (Rx1) 431 and a tracking receive signal (Rx2) 432. is sent to the divider. In one embodiment, the tracking received signal (Rx1) 431 and the tracking received signal (Rx2) 432 are terminated in an RF tuner within the modem 303 where frequency selection occurs. In this case, the power splitter 430 is a simple power splitter. In another embodiment, the power divider 430 may use a bandpass filter to filter the incoming signal to produce a tracking received signal (Rx1) 431 and a tracking received signal (Rx2) 432. ) operates as These signals are sent to modem 303 and processed as described above.

도 4에는 도시되지 않았지만, 일 실시 예에 있어서, 제2 분할기/전력 분배기가 LNB(306) 앞에 배치되고 Rx1과 Rx2 사이에서 분할하도록 포함된다.Although not shown in Figure 4, in one embodiment, a second splitter/power divider is placed in front of LNB 306 and is included to split between Rx1 and Rx2.

일 실시 예에 있어서, 제2 빔은 전자적으로 스티어링되는 평면 안테나로 발생되고 2-라인 엘리먼트(TLE)에 의해 제공된 새로운 위성 위치의 추정을 기초로 가리켜지며, 이는 주어진 시점에 대해 지구 궤도를 도는 물체(Earth-orbiting object)의 궤도 엘리먼트의 리스트이고, 이어 제2 위성 위치의 추정은 최적화를 위해 모뎀 신호 피드백(modem signal feedback)을 이용하여 개선된다.In one embodiment, the second beam is generated by an electronically steered planar antenna and is pointed based on an estimate of the new satellite position provided by a two-line element (TLE), which is an object orbiting the Earth for a given point in time. is a list of orbital elements of an Earth-orbiting object, and then an estimate of the second satellite position is improved using modem signal feedback for optimization.

일 실시 예에 있어서, 비동일 빔 분할(unequal beam split)이 발생되고, 그에 의해, 하나의 안테나가 다른 이득(예컨대, HTS(High-Throughput Satellites), 등에 대해 대략 10dB만큼 다른 이득)을 갖는 2개의 빔을 생산하고, 따라서 원래 빔이 데이터 통신을 유지하고 제1 위성을 추적하는 한편, 제2의 더 낮은 이득 빔은 새로운 유입 위성(new incoming satellite)을 향하는 빔 포인팅을 최적화하는데 이용된다.In one embodiment, unequal beam splitting occurs, whereby one antenna has two antennas with different gains (e.g., gains that differ by approximately 10 dB for High-Throughput Satellites (HTS), etc.). producing two beams, so that the original beam maintains data communication and tracks the first satellite, while the second, lower gain beam is used to optimize beam pointing towards the new incoming satellite.

일 실시 예에 있어서, 상기 실시 예에서 이용된 안테나는 수신 전용 개구면(receive-only aperture)보다는 동시 전송 및 수신 기능을 지원하는 이중 개구면일 수 있고, 그에 의해 수신 트래픽의 핸드오프뿐만 아니라 전송 트래픽의 핸드 오프를 제공한다.In one embodiment, the antenna used in the above embodiment may be a dual aperture to support simultaneous transmit and receive functions rather than a receive-only aperture, thereby allowing transmission as well as handoff of receive traffic. Provides handoff of traffic.

일 실시 예에 있어서, 전송 트래픽의 핸드오프는 수신 트래픽을 위해 이용된 위성으로부터 2개의 별개의 위성에 대해 야기되고, 예컨대 전송 위성과 수신 위성이 반드시 동일할 필요는 없다.In one embodiment, handoff of transmitting traffic occurs from the satellite used for receiving traffic to two separate satellites, eg, the transmitting and receiving satellites are not necessarily the same.

여기에 개시된 기술은 예컨대, 이에 한정되는 것은 아니지만, GEO(geostationary), MEO(medium earth orbit), LEO(low earth orbit), 소정의 비정지 및 정지 위성 콘스텔레이션 뿐만 아니라 빔을 스티어링하기 위해 움직이는 기계적 부품을 필요로 하지 않는 전자적으로 스티어링된 안테나 시스템을 이용하여 구현된 추적 성능을 갖는 여러 우주선에 적용될 수 있다.The technology disclosed herein includes, but is not limited to, geostationary (GEO), medium earth orbit (MEO), low earth orbit (LEO), certain non-geostationary and geostationary satellite constellations, as well as moving satellites to steer the beam. It can be applied to several spacecraft with tracking performance implemented using an electronically steered antenna system that does not require mechanical components.

예컨대, 하나의 LEO 콘스텔레이션에 있어서, 위성은 예컨대 4분 정도의 짧은 시간 동안 지상 터미널의 시야에 있고, 모든 지나가는 위성은 다른 유입 위성에 의해 대체되며, 따라서 위성 연결을 위한 중첩이 있게 된다. 시간의 함수로서 LEO 위성 위치는 전형적으로 2-라인 엘리먼트인, TLE를 매개로 알려지고, 위성 연결 동안 지상 터미널에 대해 통신된다. 위성 핸드오프의 순간이 접근됨에 따라, 지상 터미널은 제2 안테나 빔을 생성하고 유입 위성에 대해 TLE에 의해 특정된 방향으로 해당 빔을 가리키게 하여, 유출 위성이 더 이상 시야에 있지 않기 전에 그렇게 하고, 그에 의해 MBB 성능(make-before-break capability)을 제공한다. 일 실시 예에 있어서, 지상 터미널은 제2 빔으로 새로운 유입 LEO 위성을 동시에 획득하는 동안 제1 LEO 위성을 가리키고 있는 제1 빔으로부터 이용자 트래픽을 추적하고 전달할 수 있으며, 그 후 제1 빔으로부터 제2 빔으로 트래픽의 핸드오프를 끊김없이 관리하고 이어 제1 빔을 턴 오프하며, 그에 의해 그 이용자에게 지속적인 서비스를 제공한다.For example, in one LEO constellation, a satellite is in the field of view of a ground terminal for a short period of time, such as 4 minutes, and any passing satellite is replaced by another incoming satellite, so there is overlap for satellite connections. LEO satellite positions as a function of time are known via TLE, typically a two-line element, and communicated to a ground terminal during a satellite link. As the moment of satellite handoff approaches, the ground terminal generates a second antenna beam and points that beam in the direction specified by the TLE with respect to the incoming satellite, doing so before the outgoing satellite is no longer in sight; Thereby providing MBB performance (make-before-break capability). In one embodiment, a ground terminal may track and forward user traffic from a first beam pointing to a first LEO satellite while simultaneously acquiring new incoming LEO satellites to the second beam, and then transfer user traffic from the first beam to the second beam. Handoff of traffic is seamlessly managed by the beam and then the first beam is turned off, thereby providing continuous service to the user.

본 발명의 실시 예는 연속적인 위성 연결을 제공한다. 일 실시 예에 있어서, 빔 분할의 목적은 위성 핸드오프 사이에서 연결이 중단되는 시간의 양을 감소시키고, 잠재적으로는 제거하기 위한 것이다. 이들 핸드-오프는 LEO 위성이 궤도를 돌면서 반복적으로 야기되므로, 연결의 끊김이 줄어들게 됨에 따라 이용자 경험이 개선된다.Embodiments of the present invention provide continuous satellite connectivity. In one embodiment, the purpose of beam splitting is to reduce, and potentially eliminate, the amount of connection downtime between satellite handoffs. These hand-offs occur repeatedly as the LEO satellite orbits, improving the user experience by reducing connectivity drops.

도 5a는 하나의 수신 빔이 2개의 수신 빔으로 분할되는 프로세스의 일 실시 예의 타이밍도이다. 원래 빔(Beam 1)(501)은, FL로도 알려진, 포워드 링크 데이터(Forward Link data)에 대해 이용되는 반면, 분할 빔 기간(502)의 분할 빔, Beam 2는 유입 LEO 위성을 추적하는데 이용된다. FL은 (HUB로도 알려진) GN(Ground Network)으로부터 시작되어 터미널에서 종료되는 신호를 언급한다. 일 실시 예에 있어서, 2개의 빔은 동일한 안테나 이득을 갖지 않는다. 일 실시 예에 있어서, 제2 빔, Beam 2에는 충분한 안테나 이득이 주어져서 터미널 Rx 모뎀은 유입 위성을 획득하기 위해 분할 빔 신호를 이용할 수 있다. 유입 위성이 획득되면, FL 핸드오프가 일어난다. 일 실시 예에 있어서, FL 데이터 용량은 수신된 신호 강도(예컨대, 신호 대 잡음비(SNR))에 의해 제한되고 GN에 의해 결정된다. 빔 분할 기간(502) 동안, 트래픽 베어링 빔(traffic bearing beam)이, 도 5a에서 압축 모드(compressed mode)로서 도시된, 정상보다 낮은 안테나 이득을 가질 것이기 때문에 데이터 용량은 낮아지게 된다. 압축 모드는 빔을 분할하는 것에 기인하여 감소된 MODCOD(reduced modulation and coding scheme)(예컨대, MCS), 즉 유입 위성을 추적하고 연결하기에 충분히 긴, 감소된 안테나 이득을 나타낸다. 분할 빔 기간(502)이 완료되면, 트래픽 베어링 빔(예컨대, 앞으로 나아가는 Beam 2)은 풀 안테나 이득(full antenna gain)으로 되돌아갈 수 있다.Figure 5A is a timing diagram of one embodiment of a process in which one receive beam is split into two receive beams. The original beam (Beam 1) 501 is used for Forward Link data, also known as FL, while the split beam of the split beam period 502, Beam 2, is used to track incoming LEO satellites. . FL refers to signals originating from the Ground Network (GN) (also known as HUB) and terminating at a terminal. In one embodiment, the two beams do not have the same antenna gain. In one embodiment, the second beam, Beam 2, is given sufficient antenna gain so that the terminal Rx modem can use the split beam signal to acquire incoming satellites. Once the incoming satellite is acquired, FL handoff occurs. In one embodiment, the FL data capacity is limited by the received signal strength (e.g., signal-to-noise ratio (SNR)) and is determined by the GN. During the beam splitting period 502, the data capacity will be lower because the traffic bearing beam will have a lower antenna gain than normal, shown as compressed mode in Figure 5A. Compressed mode represents a reduced modulation and coding scheme (MODCOD) (e.g., MCS) due to splitting the beam, i.e., reduced antenna gain, long enough to track and couple incoming satellites. Once the split beam period 502 is complete, the traffic bearing beam (e.g., moving forward Beam 2) may return to full antenna gain.

일 실시 예에 있어서, 여기서 설명된 기술은 또한 FL이 핸드 오프되는 즉시 수립되는 역방향 링크(reverse link), RL, 연결로 확장된다. 즉, FL 핸드오프가 위에서 논의되었음에도 불구하고, RL 핸드오프 또한 안테나 이중 성능(antenna duplex capabilities)에 기인하여 야기된다. 도 5b는 전송 (Tx) 빔 분할 및 핸드오프 및 대응하는 타이밍도의 예를 예시한다. 도 5b를 참조하면, 수신 (Rx) 빔 분할과 동일한 위성 또는 빔에 대해 Tx 빔 분할이 반드시 야기되는 것은 아니다. 그러나 이는 매우 동일한 위성 또는 빔일 수 있다.In one embodiment, the techniques described herein are also extended to a reverse link, RL, connection that is established as soon as the FL is handed off. That is, although FL handoff is discussed above, RL handoff is also caused by antenna duplex capabilities. 5B illustrates an example of transmit (Tx) beam splitting and handoff and corresponding timing diagram. Referring to Figure 5b, Tx beam splitting does not necessarily result in the same satellite or beam as the receive (Rx) beam splitting. However, it could be the very same satellite or beam.

안테나 실시 예의 예Example of Antenna Embodiment

상기 개시된 기술은 평면 패널 안테나(flat panel antennas)와 함께 이용될 수 있다. 이러한 평면 패널 안테나의 실시 예가 개시된다. 평면 패널 안테나는 안테나 개구면 상에서 안테나 엘리먼트의 하나 이상의 어레이를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 액정 셀(liquid crystal cells)을 구비한다. 일 실시 예에 있어서, 평면 패널 안테나는 행 및 열로 배치되지 않은 각각의 안테나 엘리먼트를 고유하게 어드레싱하고 구동하기 위해 매트릭스 구동 회로를 포함하는 원통형 급전 안테나(cylindrically fed antenna)이다. 일 실시 예에 있어서, 엘리먼트는 링으로 배치된다.The disclosed technology can be used with flat panel antennas. An embodiment of such a flat panel antenna is disclosed. A flat panel antenna includes one or more arrays of antenna elements over the antenna aperture. In one embodiment, the antenna element includes liquid crystal cells. In one embodiment, the flat panel antenna is a cylindrically fed antenna that includes matrix drive circuitry to uniquely address and drive each antenna element that is not arranged in rows and columns. In one embodiment, the elements are arranged in a ring.

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트의 하나 이상의 어레이를 갖춘 안테나 개구면은 함께 결합된 다수 세그먼트로 구성된다. 함께 결합될 때, 세그먼트의 결합은 안테나 엘리먼트의 폐쇄된 동심 링(closed concentric rings)을 형성한다. 일 실시 예에 있어서, 동심 링은 안테나 피드에 대해 동심(concentric)이다.In one embodiment, the antenna aperture containing one or more arrays of antenna elements is comprised of multiple segments joined together. When joined together, the combination of segments forms closed concentric rings of antenna elements. In one embodiment, the concentric ring is concentric with respect to the antenna feed.

안테나 시스템의 예Example of antenna system

일 실시 예에 있어서, 평면 패널 안테나는 메타물질 안테나 시스템( metamaterial antenna system)의 일부이다. 통신 위성 지구국을 위한 메타물질 안테나 시스템의 실시 예가 개시된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 민간 상업 위성 통신용 Ka-대역 주파수 또는 Ku-대역 주파수를 이용하여 동작하는 모바일 플랫폼(예컨대, 항공, 해상, 육상 등)에서 동작하는 위성 지구국(ES; earth station)의 구성요소 또는 서브시스템이다. 안테나 시스템의 실시 예는 또한 모바일 플랫폼 상에 있지 않은 지구국(예컨대, 고정 또는 운송가능한 지구국)에서 이용될 수 있음을 주지해야 한다.In one embodiment, the flat panel antenna is part of a metamaterial antenna system. An embodiment of a metamaterial antenna system for a communication satellite earth station is disclosed. In one embodiment, the antenna system is a satellite earth station (ES) operating on a mobile platform (e.g., air, maritime, land, etc.) operating using Ka-band frequencies or Ku-band frequencies for civil commercial satellite communications. It is a component or subsystem of. It should be noted that embodiments of the antenna system may also be used in earth stations that are not on mobile platforms (eg, fixed or transportable earth stations).

일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 개별 안테나를 통해 송신 및 수신 빔을 형성 및 스티어링하기 위해 표면 산란 메타물질 기술을 이용한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 (예컨대, 위상 어레이 안테나(phased array antennas)와 같이) 빔을 전기적으로 형성하고 스티어링하기 위해 디지털 신호 처리를 채택하는 안테나 시스템과는 달리 아날로그 시스템이다.In one embodiment, the antenna system utilizes surface scattering metamaterial technology to shape and steer transmit and receive beams through individual antennas. In one embodiment, the antenna system is an analog system, as opposed to antenna systems that employ digital signal processing to electrically shape and steer the beam (e.g., phased array antennas).

일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 3개의 기능적 서브시스템으로 구성된다: (1) 원통형 파 급전 구조(cylindrical wave feed architecture)로 구성된 도파관 구조체(wave guiding structure); (2) 안테나 엘리먼트의 일부인 파 산란 메타물질 단위 셀(wave scattering metamaterial unit cells)의 어레이; 및 (3) 홀로그래픽 원리를 이용하여 메타물질 산란 엘리먼트로부터 조정가능한 방사선 필드(빔)의 형성을 명령하기 위한 제어 구조체.In one embodiment, the antenna system consists of three functional subsystems: (1) a wave guiding structure consisting of a cylindrical wave feed architecture; (2) an array of wave scattering metamaterial unit cells that are part of the antenna element; and (3) a control structure for commanding the formation of a tunable radiation field (beam) from the metamaterial scattering element using holographic principles.

안테나 엘리먼트antenna element

도 6은 원통형으로 급전된 홀로그래픽 방사형 개구면 안테나의 일 실시 예의 개략도를 예시한다. 도 6을 참조하면, 안테나 개구면은 원통형 급전 안테나의 입력 피드(602; input feed) 주위에서 동심 링으로 배치되는 안테나 엘리먼트(603)의 하나 이상의 어레이(601)를 갖는다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트(603)는 RF 에너지를 방사하는 무선 주파수(RF) 공진기이다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트(603)는 안테나 개구면의 전체 표면 상에서 인터리브(interleaved) 및 분포(distributed)되는 Rx 및 Tx 아이리스 (irises) 양쪽을 구비한다. 이러한 Rx 및 Tx 아이리스, 또는 슬롯은 각 세트가 개별적으로 동시에 제어된 대역을 위한 3개 이상의 세트의 그룹으로 될 수 있다. 아리리스를 갖는 이러한 안테나 엘리먼트의 예는 이하 더욱 상세히 개시된다. 여기에 개시된 RF 공진기는 원통형 피드(cylindrical feed)를 포함하지 않는 안테나에 이용될 수 있음을 주목해야 한다.Figure 6 illustrates a schematic diagram of one embodiment of a cylindrically fed holographic radial aperture antenna. Referring to Figure 6, the antenna aperture has one or more arrays 601 of antenna elements 603 arranged in a concentric ring around the input feed 602 of the cylindrical feed antenna. In one embodiment, antenna element 603 is a radio frequency (RF) resonator that radiates RF energy. In one embodiment, antenna element 603 has both Rx and Tx iris interleaved and distributed over the entire surface of the antenna aperture. These Rx and Tx iris, or slots, can be in groups of three or more sets with each set individually for a simultaneously controlled band. Examples of such antenna elements with ariris are disclosed in more detail below. It should be noted that the RF resonator disclosed herein can be used in antennas that do not include a cylindrical feed.

일 실시 예에 있어서, 안테나는 입력 피드(602; input feed)를 통해 원통형 파 피드(cylindrical wave feed)를 제공하기 위해 이용되는 동축 피드(coaxial feed)를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 원통형 파 피드 구조는 피드 지점으로부터 원통형 방식으로 바깥쪽으로 확산하는 여기(excitation)로 중심점으로부터 안테나를 급전한다. 즉, 원통형 급전 안테나는 바깥쪽으로 진행하는 동심 피드 파(outward travelling concentric feed wave)를 생성한다. 그럼에도 불구하고, 원통형 피드 주위의 원통형 피드 안테나의 형상은 원형, 정사각형 또는 소정의 형상일 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 원통형 급전 안테나는 안쪽으로 진행하는 피드 파(inward travelling feed wave)를 생성한다. 이러한 경우에, 피드 파는 가장 자연스럽게 원형 구조체로부터 도래한다.In one embodiment, the antenna includes a coaxial feed used to provide a cylindrical wave feed through an input feed 602. In one embodiment, a cylindrical wave feed structure feeds the antenna from a central point with excitation spreading outward in a cylindrical manner from the feed point. In other words, the cylindrical feed antenna generates an outward traveling concentric feed wave. Nevertheless, the shape of the cylindrical feed antenna around the cylindrical feed may be circular, square or of any shape. In another embodiment, a cylindrical feed antenna generates an inward traveling feed wave. In this case, the feed wave most naturally originates from a circular structure.

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트(603)는 아이리스를 포함하고, 도 6의 개구면 안테나는 튜닝가능한 액정(LC) 물질을 통해 아이리스를 방사하기 위해 원통형 피드 파로부터 여기(excitation)를 이용하여 형상화된 메인 빔을 발생시키는데 이용된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나는 원하는 스캔 각도에서 수평 또는 수직 편파 전계(horizontally or vertically polarized electric field)를 방사하도록 여기될 수 있다.In one embodiment, the antenna element 603 includes an iris, and the aperture antenna of Figure 6 is shaped using excitation from a cylindrical feed wave to radiate the iris through a tunable liquid crystal (LC) material. It is used to generate the main beam. In one embodiment, the antenna can be excited to radiate a horizontally or vertically polarized electric field at a desired scan angle.

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 패치 안테나의 그룹을 구비한다. 이 패치 안테나의 그룹은 산란 메타물질 엘리먼트의 어레이를 구비한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템의 각 산란 엘리먼트는 하부 도전체(lower conductor), 유전체 기판(dielectric substrate), 및 상부 도전체에서 에칭되거나 그에 대해 증착되는 상보 전기 유도-용량성 공진기(complementary electric inductive-capacitive resonator)("상보 전기 LC"또는 "CELC")를 내장하는 상부 도전체(upper conductor)로 구성되는 단위 셀의 일부분이다. 당업자에 의해 이해되어지는 바와 같이, CELC의 맥락에서 LC는 액정과는 달리 인덕턴스-캐패시턴스(inductance-capacitance)를 지칭한다.In one embodiment, the antenna element includes a group of patch antennas. This group of patch antennas is equipped with an array of scattering metamaterial elements. In one embodiment, each scattering element of the antenna system includes a lower conductor, a dielectric substrate, and a complementary electric inductive resonator etched from or deposited on the upper conductor. It is part of a unit cell consisting of an upper conductor containing a -capacitive resonator ("complementary electric LC" or "CELC"). As understood by those skilled in the art, LC in the context of CELC refers to inductance-capacitance, as opposed to liquid crystal.

일 실시 예에 있어서, 액정(LC)은 산란 엘리먼트 주위의 갭에 배치된다. 이 LC는 상기한 직접 구동 실시 예에 의해 구동된다. 일 실시 예에 있어서, 액정은 각 단위 셀로 캡슐화되고, 슬롯과 관련된 하부 도전체를 그 패치와 관련된 상부 도전체로부터 분리한다. 액정은 액정을 구비하는 분자의 배향의 함수인 유전율(permittivity)을 가지며, 분자의 배향(및 따라서 유전율)은 액정을 가로지르는 바이어스 전압을 조정하는 것에 의해 제어될 수 있다. 이 특성을 이용하면, 일 실시 예에 있어서, 액정은 유도 파(guided wave)로부터 CELC로 에너지의 송신을 위한 온/오프 스위치를 통합한다. 스위치가 온될 때, CELC는 전기적으로 작은 다이폴 안테나(dipole antenna)와 같은 전자기 파(electromagnetic wave)를 방출한다. 여기서의 교시는 에너지 전달과 관련하여 이진 방식(binary fashion)으로 동작하는 액정을 갖춘 것으로 제한되지는 않는다.In one embodiment, liquid crystals (LC) are disposed in the gap around the scattering element. This LC is driven by the direct drive embodiment described above. In one embodiment, a liquid crystal is encapsulated in each unit cell, separating the lower conductor associated with the slot from the upper conductor associated with its patch. Liquid crystals have a permittivity that is a function of the orientation of the molecules comprising the liquid crystal, and the orientation of the molecules (and therefore the permittivity) can be controlled by adjusting the bias voltage across the liquid crystal. Taking advantage of this property, in one embodiment, the liquid crystal integrates an on/off switch for the transmission of energy from a guided wave to the CELC. When switched on, the CELC emits electromagnetic waves, electrically like a small dipole antenna. The teachings herein are not limited to those with liquid crystals that operate in a binary fashion with respect to energy transfer.

일 실시 예에 있어서, 이 안테나 시스템의 피드 형상은 안테나 엘리먼트가 파 피드(wave feed)에서 파의 벡터에 대해 45도(45°) 각도로 위치되도록 할 수 있다. 다른 위치(예컨대, 40° 각도)가 이용될 수 있음을 주지해야 한다. 엘리먼트의 이러한 위치는 엘리먼트에 의해 수신되거나 엘리먼트로부터 송신/방사되는 자유 공간파(free space wave)의 제어를 가능하게 한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 안테나의 동작 주파수의 자유-공간 파장(free-space wavelength)보다 작은 엘리먼트간 공간(inter-element spacing)으로 배열된다. 예컨대, 파장 당 4개의 산란 엘리먼트가 있다면, 30GHz 송신 안테나에서의 엘리먼트는 약 2.5mm이다(즉, 30GHz의 10mm 자유 공간 파장의 1/4).In one embodiment, the feed shape of this antenna system may be such that the antenna elements are positioned at a forty-five degree (45°) angle to the wave vector in the wave feed. It should be noted that other positions (e.g., 40° angles) may be used. This position of the element allows control of the free space waves received by or transmitted/radiated from the element. In one embodiment, the antenna elements are arranged with inter-element spacing less than the free-space wavelength of the antenna's operating frequency. For example, if there are four scattering elements per wavelength, the elements in a 30 GHz transmit antenna are approximately 2.5 mm (i.e., 1/4 the 10 mm free space wavelength at 30 GHz).

일 실시 예에 있어서, 엘리먼트의 2개의 세트는 서로 직교하고 동일한 튜닝 상태로 제어되면 동일한 진폭 여기(equal amplitude excitation)를 갖는다. 피드 파 여기에 대해 +/-45도 회전하면 원하는 특징을 한 번에 달성할 수 있다. 한 세트를 0도 회전시키고 다른 하나를 90도 회전시키면 수직 목표는 달성되지만, 동일한 진폭 여기 목표는 달성되지 않는다. 2개의 측으로부터 단일 구조체로 안테나 엘리먼트의 어레이를 피딩(feeding)할 때 0도 및 90도가 격리(isolation)를 달성하는데 이용될 수 있다.In one embodiment, the two sets of elements are orthogonal to each other and have equal amplitude excitation when controlled to the same tuning state. By rotating +/-45 degrees relative to the feed wave excitation, the desired characteristics can be achieved at once. Rotating one set 0 degrees and the other 90 degrees achieves the vertical goal, but does not achieve the same amplitude excitation goal. 0 degrees and 90 degrees can be used to achieve isolation when feeding an array of antenna elements from two sides into a single structure.

각 단위 셀로부터 방사되는 전력의 양은 컨트롤러를 이용하여 패치(LC 채널을 가로지르는 전위)에 전압을 인가하는 것에 의해 제어된다. 각 패치에 대한 트레이스(traces)는 패치 안테나에 전압을 제공하는데 이용된다. 전압은 캐패시턴스를 튜닝 또는 디튜닝하기 위해 이용되고, 따라서 빔 형성을 유발하기 위한 개별 엘리먼트의 공명 주파수(resonance frequency)이다. 요구되는 전압은 이용되는 액정 혼합물(liquid crystal mixture)에 의존한다. 액정 혼합물의 전압 튜닝 특성은 액정이 전압 및 포화 전압에 의해 영향을 받기 시작하는 임계 전압에 의해 주로 설명되고, 이 보다 높은 전압의 증가는 액정에서 큰 튜닝을 야기시키지 않는다. 이들 두 가지 특징 파라미터는 여러 액정 혼합물에 대해 변할 수 있다.The amount of power radiated from each unit cell is controlled by applying a voltage to the patch (potential across the LC channel) using a controller. Traces for each patch are used to provide voltage to the patch antenna. The voltage is used to tune or detune the capacitance and thus the resonance frequency of the individual elements to cause beam forming. The required voltage depends on the liquid crystal mixture used. The voltage tuning properties of liquid crystal mixtures are mainly described by the threshold voltage above which the liquid crystal begins to be affected by voltage and saturation voltage, above which an increase in voltage does not cause significant tuning in the liquid crystal. These two characteristic parameters can vary for different liquid crystal mixtures.

일 실시 예에 있어서, 위에서 논의된 바와 같이, 매트릭스 드라이브(matrix drive)는 각 셀에 대한 별도의 연결을 갖는 것 없이 모든 다른 셀로부터 개별적으로 각 셀을 구동하기 위해 (직접 구동) 패치에 전압을 인가하는데 이용된다. 엘리먼트의 높은 밀도 때문에, 매트릭스 드라이브는 각 셀을 개별적으로 처리하는데 효율적인 방법이다.In one embodiment, as discussed above, a matrix drive applies a voltage to the patch to drive each cell individually from all other cells (direct drive) without having a separate connection for each cell. It is used for authorization. Because of the high density of elements, matrix drives are an efficient way to process each cell individually.

일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템의 제어 구조체는 2개의 주요 구성요소를 갖는다: 안테나 시스템을 위한 구동 전자기기(drive electronics)를 포함하는 안테나 어레이 컨트롤러는 (여기서 설명된 바와 같은 표면 산란 안테나 엘리먼트의) 파 산란 구조체(wave scattering structure) 아래에 있는 한편, 매트릭스 구동 스위칭 어레이(matrix drive switching array)는 방사를 방해하지 않는 방식으로 방사 RF 어레이(radiating RF array) 전체에 걸쳐 산재된다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템을 위한 구동 전자기기는 해당 엘리먼트에 대한 AC 바이어스 신호의 진폭 또는 듀티 사이클을 조정하는 것에 의해 각 산란 엘리먼트에 대한 바이어스 전압을 조정하는 상업용 텔레비전 기기에 이용되는 상용 기성품 LCD 제어기기를 구비한다.In one embodiment, the control structure of the antenna system has two main components: an antenna array controller containing the drive electronics for the antenna system (of the surface scattering antenna elements as described herein); Below the wave scattering structure, while matrix drive switching arrays are interspersed throughout the radiating RF array in a way that does not disturb the radiation. In one embodiment, the drive electronics for the antenna system include a commercial off-the-shelf LCD for use in commercial television equipment that adjusts the bias voltage for each scattering element by adjusting the amplitude or duty cycle of the AC bias signal for that element. Equipped with a control device.

일 실시 예에 있어서, 안테나 어레이 컨트롤러는 또한 소프트웨어를 실행하는 마이크로프로세서를 포함한다. 제어 구조체는 프로세서에 위치(location) 및 방위(orientation) 정보를 제공하기 위해 센서(예컨대, GPS 수신기, 3축 나침반, 3축 가속도계, 3축 자이로, 3축 자력계 등)를 통합할 수 있다. 위치 및 방위 정보는 지구국의 다른 시스템 및/또는 안테나 시스템의 일부가 아닐 수 있는 다른 시스템에 의해 프로세서에 제공될 수 있다.In one embodiment, the antenna array controller also includes a microprocessor that executes software. The control structure may integrate sensors (e.g., GPS receiver, 3-axis compass, 3-axis accelerometer, 3-axis gyro, 3-axis magnetometer, etc.) to provide location and orientation information to the processor. Position and orientation information may be provided to the processor by other systems of the earth station and/or other systems that may not be part of the antenna system.

특히, 안테나 어레이 컨트롤러는 동작 주파수에서 어느 위상 및 진폭 레벨로 어느 엘리먼트가 턴 오프되고 이들 엘리먼트가 턴 온되는지를 제어한다. 엘리먼트는 전압 인가에 의해 주파수 동작에 대해 선택적으로 디튜닝된다(detuned).In particular, the antenna array controller controls which elements are turned off and which elements are turned on, and at what phase and amplitude level at the operating frequency. The element is selectively detuned for frequency operation by applying a voltage.

송신을 위해, 컨트롤러는 변조 또는 제어 패턴을 생성하기 위해 RF 패치에 전압 신호의 어레이를 공급한다. 제어 패턴은 엘리먼트가 다른 상태로 튜닝되도록 한다. 일 실시 예에 있어서, 다중상태 제어는 다양한 엘리먼트가 다양한 레벨로 턴 온 및 오프되는데 이용되고, 구형파(즉, 정현파 회색 음영 변조 패턴(sinusoid gray shade modulation pattern))와는 대조적으로 정현파 제어 패턴(sinusoidal control pattern)과 더 유사하다. 일 실시 예에 있어서, 몇몇 엘리먼트가 방사되고 몇몇은 그렇지 않기 보다는, 몇몇 엘리먼트는 다른 엘리먼트보다 더 강하게 방사된다. 가변 방사(Variable radiation)는, 변하는 양에 대해 액정 유전율을 조정하는, 특정 전압 레벨을 인가하는 것에 의해 달성되고, 그에 의해 엘리먼트를 가변적으로 디튜닝하고 몇몇 엘리먼트는 다른 엘리먼트보다 더 많이 방사하도록 한다.For transmission, the controller supplies an array of voltage signals to the RF patch to create a modulation or control pattern. Control patterns allow elements to be tuned to different states. In one embodiment, multi-state control is used to turn various elements on and off to various levels and uses a sinusoidal control pattern as opposed to a square wave (i.e., sinusoidal gray shade modulation pattern). pattern). In one embodiment, rather than some elements radiating and some not, some elements radiate more strongly than others. Variable radiation is achieved by applying a specific voltage level, which adjusts the liquid crystal dielectric constant for a varying amount, thereby variably detuning the elements and causing some elements to radiate more than others.

엘리먼트의 메타물질 어레이에 의한 집속 빔(focused beam)의 발생은 보강 및 상쇄 간섭의 현상에 의해 설명될 수 있다. 개별 전자기파는 자유 공간에서 만날 때 동일한 위상을 갖으면 합산되고(보강 간섭(constructive interference)), 자유 공간에서 만날 때 반대 위상에 있으면 서로 상쇄된다(상쇄 간섭(destructive interference)). 각 연속 슬롯이 유도 파(guided wave)의 여기 지점과 다른 거리에 위치하도록 슬롯형 안테나(slotted antenna)의 슬롯이 배치되면, 해당 엘리먼트로부터의 산란파(scattered wave)는 이전 슬롯의 산란파와 다른 위상을 가질 것이다. 슬롯이 유도 파장(guided wavelength)의 1/4로 공간지워져 떨어지면, 각 슬롯은 이전 슬롯으로부터 1/4 위상 지연으로 파를 산란시킬 것이다.The generation of a focused beam by a metamaterial array of elements can be explained by the phenomena of constructive and destructive interference. Individual electromagnetic waves add up if they are in the same phase when they meet in free space (constructive interference), and if they are in opposite phases when they meet in free space, they cancel each other out (destructive interference). If the slots of a slotted antenna are arranged so that each successive slot is located at a different distance from the excitation point of the guided wave, the scattered wave from that element will have a different phase from the scattered wave from the previous slot. will have If the slots are spaced apart by 1/4 the guided wavelength, each slot will scatter waves with a 1/4 phase lag from the previous slot.

어레이를 이용하면, 발생될 수 있는 보강 및 상쇄 간섭의 패턴의 수가 증가될 수 있어 빔은 홀로그래피의 원리를 이용하여 안테나 어레이의 보어 사이트(bore sight)로부터 플러스 또는 마이너스 90도(90°)의 소정 방향으로 이론적으로 가리킬 수 있다. 따라서, 어느 메타물질 단위 셀이 턴 온 또는 오프되는지를 제어하는 것에 의해(즉, 어느 셀이 턴 온되고 어느 셀이 턴 오프되는지의 패턴을 변경하는 것에 의해), 보강 및 상쇄 간섭의 여러 패턴이 발생될 수 있고, 안테나는 메인 빔의 방향을 변경시킬 수 있다. 단위 셀을 턴 온 및 오프하는데 요구되는 시간은 빔이 한 위치에서 다른 위치로 스위칭될 수 있는 속도를 좌우한다.Using an array, the number of patterns of constructive and destructive interference that can be generated can be increased, so the beam is directed at a predetermined angle of plus or minus 90 degrees from the bore sight of the antenna array using the principles of holography. It can theoretically be pointed in a direction. Therefore, by controlling which metamaterial unit cells are turned on or off (i.e., by changing the pattern of which cells are turned on and which cells are turned off), different patterns of constructive and destructive interference can be created. can occur, and the antenna can change the direction of the main beam. The time required to turn a unit cell on and off dictates the speed at which the beam can be switched from one position to another.

일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 업링크 안테나(uplink antenna)를 위한 하나의 스티어링가능 빔(steerable beam) 및 다운링크 안테나를 위한 하나의 스티어링가능 빔을 발생시킨다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 빔을 수신하고 위성으로부터 신호를 디코딩하며 위성을 직접 향하게 되는 송신 빔을 형성하기 위해 메타물질 기술을 이용한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 (예컨대, 위상 어레이 안테나와 같이) 빔을 전기적으로 형성하고 스티어링하기 위해 디지털 신호 처리를 채택하는 안테나 시스템과는 달리 아날로그 시스템이다. 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은, 특히 종래의 위성 접시 수신기(satellite dish receivers)와 비교할 때, 평면이고 비교적 낮은 프로파일인 "표면(surface)" 안테나로 고려된다.In one embodiment, the antenna system generates one steerable beam for the uplink antenna and one steerable beam for the downlink antenna. In one embodiment, the antenna system uses metamaterial technology to receive the beam, decode signals from the satellite, and form a transmit beam that is directed toward the satellite. In one embodiment, the antenna system is an analog system, as opposed to an antenna system that employs digital signal processing to electrically shape and steer the beam (e.g., a phased array antenna). In one embodiment, the antenna system is considered a “surface” antenna, which is planar and relatively low profile, especially when compared to conventional satellite dish receivers.

도 7은 접지 평면(ground plane) 및 재구성가능 공진기 층(reconfigurable resonator layer)을 포함하는 안테나 엘리먼트의 하나의 행의 사시도를 예시한다. 재구성 가능한 공진기 층(1230)은 튜닝가능 슬롯(1210; tunable slots)의 어레이를 포함한다. 튜닝가능 슬롯(1210)의 어레이는 원하는 방향으로 안테나가 향하도록 구성될 수 있다. 각 튜닝가능 슬롯은 액정을 가로지르는 전압을 변화시키는 것에 의해 튜닝/조정될 수 있다.Figure 7 illustrates a perspective view of one row of antenna elements including a ground plane and a reconfigurable resonator layer. Reconfigurable resonator layer 1230 includes an array of tunable slots (1210). The array of tunable slots 1210 can be configured to point the antenna in a desired direction. Each tunable slot can be tuned/adjusted by changing the voltage across the liquid crystal.

제어 모듈, 또는 컨트롤러(1280)는 도 8a에서 액정을 가로지르는 전압을 변경시키는 것에 의해 튜닝가능 슬롯(1210)의 어레이를 변조하기 위해 재구성가능 공진기 층(1230)에 결합된다. 제어 모듈(1280)은 "FPGA"(Field Programmable Gate Array), 마이크로프로세서, 컨트롤러, SoC(System-on-a-Chip), 또는 다른 처리 로직을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 제어 모듈(1280)은 튜닝가능 슬롯(1210)의 어레이를 구동하기 위한 논리 회로(예컨대, 멀티플렉서(multiplexer))를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 제어 모듈(1280)은 홀로그래픽 회절 패턴(holographic diffraction pattern)이 튜닝가능 슬롯(1210)의 어레이 상에서 구동되어지도록 하기 위한 사양을 포함하는 데이터를 수신한다. 홀로그래픽 회절 패턴은 홀로그래픽 회절 패턴이 통신을 위해 적절한 방향으로 다운링크 빔(및 안테나 시스템이 송신을 수행하면 업링크 빔)을 스티어링하기 위해 안테나와 위성 사이의 공간적 관계에 응답하여 발생될 수 있다. 각 도면에 도시되지는 않았음에도 불구하고, 제어 모듈(1280)과 유사한 제어 모듈이 본 개시의 도면에 기술된 튜닝가능 슬롯의 각 어레이를 구동할 수 있다.A control module, or controller 1280, is coupled to the reconfigurable resonator layer 1230 to modulate the array of tunable slots 1210 by varying the voltage across the liquid crystal in FIG. 8A. Control module 1280 may include a Field Programmable Gate Array (“FPGA”), microprocessor, controller, System-on-a-Chip (SoC), or other processing logic. In one embodiment, control module 1280 includes logic circuitry (e.g., a multiplexer) to drive an array of tunable slots 1210. In one embodiment, control module 1280 receives data containing specifications for causing a holographic diffraction pattern to be driven on an array of tunable slots 1210. The holographic diffraction pattern may be generated in response to the spatial relationship between the antenna and the satellite so that the holographic diffraction pattern steers the downlink beam (and uplink beam if the antenna system is transmitting) in the appropriate direction for communication. . Although not shown in each figure, a control module similar to control module 1280 may drive each array of tunable slots depicted in the figures of this disclosure.

무선 주파수(Radio Frequency)("RF") 홀로그래피는 또한 RF 참조 빔(RF reference beam)이 RF 홀로그래픽 회절 패턴에 직면할 때 원하는 RF 빔이 발생될 수 있는 유사한 기술을 이용하는 것이 가능하다. 위성 통신의 경우, 참조 빔은, 피드 파(1205; feed wave)(몇몇 실시 예에서 대략 20GHz)와 같은, 피드 파의 형태이다. (송신 또는 수신 목적을 위해) 피드 파를 방사 빔(radiated beam)으로 변환시키기 위해, 간섭 패턴이 원하는 RF 빔(대상 빔(object beam))과 피드 파(참조 빔(reference beam)) 사이에서 계산된다. 간섭 패턴은 피드 파가 (원하는 형상 및 방향을 갖춘) 원하는 RF 빔으로 "스티어링(steered)"되도록 회절 패턴으로서 튜닝가능 슬롯(1210)의 어레이 상에서 구동된다. 즉, 홀로그래픽 회절 패턴에 직면하는 피드 파는 대상 빔을 "재구성(reconstructs)"하고, 이는 통신 시스템의 설계 요구사항에 따라 형성된다. 홀로그래픽 회절 패턴은 각 엘리먼트의 여기를 포함하고, 도파관에서의 파동 식으로서 및 유출 파에 대한 파동 식으로서 를 갖는, 에 의해 계산된다.Radio Frequency (“RF”) holography is also possible using similar techniques in which a desired RF beam can be generated when an RF reference beam encounters an RF holographic diffraction pattern. For satellite communications, the reference beam is in the form of a feed wave, such as feed wave 1205 (approximately 20 GHz in some embodiments). To convert the feed wave into a radiated beam (for transmission or reception purposes), an interference pattern is calculated between the desired RF beam (object beam) and the feed wave (reference beam). do. The interference pattern is driven on the array of tunable slots 1210 as a diffraction pattern such that the feed wave is “steered” into the desired RF beam (with the desired shape and direction). That is, the feed wave encountering the holographic diffraction pattern “reconstructs” the target beam, which is shaped according to the design requirements of the communication system. The holographic diffraction pattern includes the excitation of each element and is expressed as a wave equation in the waveguide: and as the wave equation for the outflow wave: Having, It is calculated by

도 8a는 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)의 일 실시 예를 예시한다. 튜닝가능 슬롯(1210)은 아이리스/슬롯(1212), 방사 패치(1211; radiating patch), 및 아이리스(1212)와 패치(1211) 사이에 배치된 액정(1213)을 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 방사 패치(1211)는 아이리스(1212)와 공동-위치된다.FIG. 8A illustrates one embodiment of a tunable resonator/slot 1210. Tunable slot 1210 includes an iris/slot 1212, a radiating patch 1211, and a liquid crystal 1213 disposed between iris 1212 and patch 1211. In one embodiment, radiating patch 1211 is co-located with iris 1212.

도 8b는 물리적 안테나 개구면의 일 실시 예의 단면도를 예시한다. 안테나 개구면은 접지 평면(1245), 및 재구성가능 공진기 층(1230)에 포함되는 아이리스 층(1233) 내의 금속 층(1236)을 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 도 8b의 안테나 개구면은 도 8a의 복수의 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)을 포함한다. 아이리스/슬롯(1212)은 금속 층(1236)의 개구부(openings)에 의해 정의된다. 도 8a의 피드 파(1205)와 같은, 피드 파는 위성 통신 채널과 호환되는 마이크로파 주파수(microwave frequency)를 가질 수 있다. 피드 파는 접지 평면(1245)과 공진기 층(1230) 사이에서 전파된다.Figure 8B illustrates a cross-sectional view of one embodiment of a physical antenna aperture. The antenna aperture includes a ground plane 1245 and a metal layer 1236 in the iris layer 1233 included in the reconfigurable resonator layer 1230. In one embodiment, the antenna aperture of FIG. 8B includes a plurality of tunable resonators/slots 1210 of FIG. 8A. Iris/slot 1212 is defined by openings in metal layer 1236. The feed wave, such as feed wave 1205 in FIG. 8A, may have a microwave frequency compatible with a satellite communication channel. The feed wave propagates between ground plane 1245 and resonator layer 1230.

재구성가능 공진기 층(1230)은 또한 가스켓 층(1232; gasket layer) 및 패치 층(1231)을 포함한다. 가스켓 층(1232)은 패치 층(1231)과 아이리스 층(1233) 사이에 배치된다. 일 실시 예에 있어서, 스페이서는 개스킷 층(1322)을 대체할 수 있음을 주지해야 한다. 일 실시 예에 있어서, 아이리스 층(1233)은 금속 층(1236)으로서 구리 층을 포함하는 인쇄 회로 기판("PCB")이다. 일 실시 예에 있어서, 아이리스 층(1233)은 유리이다. 아이리스 층(1233)은 다른 형태의 기판일 수 있다.Reconfigurable resonator layer 1230 also includes a gasket layer 1232 and a patch layer 1231. Gasket layer 1232 is disposed between patch layer 1231 and iris layer 1233. It should be noted that in one embodiment, a spacer may replace gasket layer 1322. In one embodiment, iris layer 1233 is a printed circuit board (“PCB”) that includes a layer of copper as metal layer 1236. In one embodiment, iris layer 1233 is glass. Iris layer 1233 may be a different type of substrate.

개구부가 슬롯(1212)을 형성하기 위해 구리 층에서 에칭될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 아이리스 층(1233)은 도 8b의 다른 구조체(예컨대, 도파관)에 도전성 본딩 층(conductive bonding layer)에 의해 도전적으로 결합된다. 일 실시 예에 있어서, 아이리스 층은 도전성 본딩 층에 의해 도전적으로 결합되지 않고 대신 비- 도전성 본딩 층(non-conducting bonding laye)과 인터페이스된다.Openings may be etched in the copper layer to form slots 1212. In one embodiment, iris layer 1233 is conductively bonded to other structures (e.g., waveguides) of FIG. 8B by a conductive bonding layer. In one embodiment, the iris layer is not conductively bonded by a conductive bonding layer but is instead interfaced with a non-conducting bonding layer.

패치 층(1231)이 또한 방사 패치(1121)로서 금속을 포함하는 PCB일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 가스켓 층(1232)은 금속 층(1236)과 패치(1211) 사이의 치수를 정의하기 위해 기계적 스탠드오프(mechanical standoff)를 제공하는 스페이서(1239; spacers)를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 스페이서는 75 미크론이지만, 다른 크기가 이용될 수 있다(예컨대, 3-200mm). 상기한 바와 같이, 일 실시 예에 있어서, 도 8b의 안테나 개구면은, 예컨대 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)이 도 8a의 패치(1211), 액정(1213), 및 아이리스(1212)를 포함하는 것과 같은, 다수의 튜닝가능 공진기/슬롯을 포함한다. 액정(1213)용 챔버는 스페이서(1239), 아이리스 층(1233) 및 금속 층(1236)에 의해 정의된다. 챔버가 액정으로 채워질 때, 패치 층(1231)은 공진기 층(1230) 내에 액정을 밀봉하기 위해 스페이서(1239) 상에 적층될 수 있다.The patch layer 1231 may also be a PCB containing metal as the radiating patch 1121. In one embodiment, gasket layer 1232 includes spacers 1239 that provide mechanical standoff to define the dimensions between metal layer 1236 and patch 1211. In one embodiment, the spacer is 75 microns, but other sizes may be used (eg, 3-200 mm). As noted above, in one embodiment, the antenna aperture of FIG. 8B may be configured such that, for example, tunable resonator/slot 1210 includes patch 1211, liquid crystal 1213, and iris 1212 of FIG. 8A. Contains multiple tunable resonators/slots, such as: The chamber for liquid crystal 1213 is defined by spacer 1239, iris layer 1233, and metal layer 1236. When the chamber is filled with liquid crystal, patch layer 1231 may be deposited on spacer 1239 to seal the liquid crystal within resonator layer 1230.

패치 층(1231)과 아이리스 층(1233) 사이의 전압은 패치와 슬롯(예컨대, 튜닝가능 공진기/슬롯(1210)) 사이의 갭에서 액정을 튜닝하기 위해 변조될 수 있다. 액정(1213)을 가로지르는 전압을 조정하는 것은 슬롯(예컨대, 튜닝가능 공진기/슬롯(1210))의 캐패시턴스를 변화시킨다. 따라서, 캐패시턴스를 변경시키는 것에 의해 슬롯(예컨대, 튜닝가능 공진기/슬롯(1210))의 리액턴스가 변경될 수 있다. 슬롯(1210)의 공진 주파수는 또한 식 에 따라 변하고, 여기서, 는 슬롯(1210)의 공진 주파수, L 및 C는 각각 슬롯(1210)의 인덕턴스 및 캐패시턴스이다. 슬롯(1210)의 공진 주파수는 도파관을 통해 전파되는 피드 파(1205)로부터 방사된 에너지에 영향을 미친다. 예컨대, 피드 파(1205)가 20GHz이면, 슬롯(1210)이 피드 파(1205)로부터 실질적으로 결합하는 에너지가 없도록 슬롯(1210)의 공진 주파수는 (캐패시턴스를 변경시키는 것에 의해) 17GHz로 조정될 수 있다. 또는, 슬롯(1210)의 공진 주파수는 슬롯(1210)이 피드 파(1205)로부터 에너지를 결합하고 해당 에너지를 자유 공간으로 방사하도록 20GHz로 조정될 수 있다. 주어진 예가 이진(완전히 방사 또는 전혀 방사하지 않음)의, 리액턴스의 풀 그레이 스케일 제어(full gray scale control)임에도 불구하고, 따라서 슬롯(1210)의 공진 주파수는 다중 값 범위에 걸쳐 전압 변동(voltage variance)으로 가능하다. 따라서, 상세한 홀로그래픽 회절 패턴이 튜닝가능 슬롯의 어레이에 의해 형성될 수 있도록 각 슬롯(1210)으로부터 방사된 에너지는 미세하게 제어될 수 있다.The voltage between the patch layer 1231 and the iris layer 1233 may be modulated to tune the liquid crystal in the gap between the patch and the slot (eg, tunable resonator/slot 1210). Adjusting the voltage across liquid crystal 1213 changes the capacitance of the slot (e.g., tunable resonator/slot 1210). Accordingly, the reactance of a slot (e.g., tunable resonator/slot 1210) can be changed by changing the capacitance. The resonant frequency of slot 1210 can also be calculated using the equation varies depending on, where: is the resonant frequency of the slot 1210, L and C are the inductance and capacitance of the slot 1210, respectively. The resonant frequency of the slot 1210 affects the energy radiated from the feed wave 1205 propagating through the waveguide. For example, if the feed wave 1205 is 20 GHz, the resonant frequency of the slot 1210 can be adjusted to 17 GHz (by changing the capacitance) such that the slot 1210 couples substantially no energy from the feed wave 1205. . Alternatively, the resonant frequency of slot 1210 can be adjusted to 20 GHz such that slot 1210 couples energy from feed wave 1205 and radiates that energy into free space. Although the given example is a binary (completely radiating or not radiating at all), full gray scale control of reactance, the resonant frequency of slot 1210 therefore has voltage variance over a multi-value range. It is possible. Accordingly, the energy radiated from each slot 1210 can be finely controlled such that a detailed holographic diffraction pattern can be formed by the array of tunable slots.

일 실시 예에 있어서, 행에서의 튜닝가능 슬롯은 λ/5만큼 서로로부터 공간지워진다. 다른 공간(spacings)이 이용될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 행에서의 각 튜닝가능 슬롯은 λ/2 만큼 인접하는 행의 가장 가까운 튜닝가능 슬롯으로부터 공간지워지고, 따라서 다른 행에서 공통으로 배향된 튜닝가능 슬롯은 λ/4만큼 공간지워지지만, 다른 공간이 가능하다(예컨대, λ/5, λ/6.3). 다른 실시 예에 있어서, 행의 각 튜닝가능 슬롯은 λ/3 만큼 인접하는 행에서 가장 가까운 튜닝가능 슬롯으로부터 공간지워진다.In one embodiment, tunable slots in a row are spaced from each other by λ/5. Other spacings may be used. In one embodiment, each tunable slot in a row is offset from the nearest tunable slot in the adjacent row by λ/2, so that commonly oriented tunable slots in other rows are offset by λ/4. , other spaces are possible (e.g., λ/5, λ/6.3). In another embodiment, each tunable slot in a row is offset from the nearest tunable slot in the adjacent row by λ/3.

실시 예는, 2014년 11월 21일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "스티어링가능 원통형 급전 홀로그래픽 안테나로부터의 동적 편파 및 커플링 제어(Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna)"인 미국 특허 출원 제14/550,178호와, 2015년 1월 30일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "재구성가능 안테나를 위한 리지드 도파관 피드 구조체(Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna)"인 미국 특허 출원 제14/610,502호와 같은, 재구성가능 메타물질 기술을 이용한다.An embodiment is filed on November 21, 2014 and titled "Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna" U.S. Patent Application No. 14/550,178, and U.S. Patent Application No. 14, filed January 30, 2015, entitled "Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna." /Use reconfigurable metamaterial technology, such as No. 610,502.

도 9a 내지 도 9d는 슬롯형 어레이를 생성하기 위한 여러 층의 일 실시 예를 예시한다. 안테나 어레이는, 도 1a에 도시된 예시적 링과 같은, 링에 위치되는 안테나 엘리먼트를 포함한다. 본 예에 있어서, 안테나 어레이는 2가지 다른 형태의 주파수 대역에 대해 이용되는 2가지 다른 형태의 안테나 엘리먼트를 갖음을 주지해야 한다.9A-9D illustrate one embodiment of multiple layers for creating a slotted array. The antenna array includes antenna elements positioned in a ring, such as the example ring shown in FIG. 1A. It should be noted that in this example, the antenna array has two different types of antenna elements used for two different types of frequency bands.

도 9a는 슬롯에 대응하는 위치를 갖는 제1 아이리스 보드 층(first iris board layer)의 일부분을 예시한다. 도 9a를 참조하면, 원은 아이리스 기판의 바닥 측에서 금속화(metallization)의 개방 영역/슬롯(open areas/slots)이고, 피드(피드 파)에 대한 엘리먼트의 결합을 제어하기 위한 것이다. 본 층은 선택적 층이고 모든 설계에는 이용되지 않음을 주지해야 한다. 도 9b는 슬롯을 포함하는 제2 아이리스 보드 층의 일부분을 예시한다. 도 9c는 제2 아이리스 보드 층의 일부분에 걸치는 패치를 예시한다. 도 9d는 슬롯형 어레이의 일부분의 상면도를 예시한다.Figure 9A illustrates a portion of the first iris board layer with positions corresponding to slots. Referring to Figure 9A, the circles are open areas/slots of metallization on the bottom side of the iris substrate and are for controlling the coupling of elements to the feed (feed wave). It should be noted that this layer is an optional layer and will not be used in all designs. Figure 9B illustrates a portion of the second iris board layer including slots. Figure 9C illustrates a patch spanning a portion of the second iris board layer. Figure 9D illustrates a top view of a portion of a slotted array.

도 10은 원통형 급전 안테나 구조체(cylindrically fed antenna structure)의 일 실시 예의 측면도를 예시한다. 안테나는 이중 층 피드 구조체(double layer feed structure)(즉, 피드 구조체의 2개의 층)를 이용하여 안쪽으로 향하는 진행 파(inwardly travelling wave)를 발생시킨다. 일 실시 예에 있어서, 안테나는 원형 외부 형상(circular outer shape)을 포함하지만, 이는 요구되는 것은 아니다. 즉, 비-원형 내향 진행 구조체(non-circular inward travelling structures)가 이용될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 도 10의 안테나 구조체는, 예컨대, 2014년 11월 21일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "스티어링가능 원통형 급전 홀로그래픽 안테나로부터의 동적 편파 및 커플링 제어"인 미국 공개공보 제2015/0236412호에 기술된 바와 같은, 동축 피드(coaxial feed)를 포함한다. Figure 10 illustrates a side view of one embodiment of a cylindrically fed antenna structure. The antenna uses a double layer feed structure (i.e., two layers of the feed structure) to generate an inwardly traveling wave. In one embodiment, the antenna includes a circular outer shape, but this is not required. That is, non-circular inward traveling structures can be used. In one embodiment, the antenna structure of FIG. 10 is described in, e.g., U.S. Publication No. 1, "Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrical Feed Holographic Antenna," filed on November 21, 2014. It includes a coaxial feed, as described in 2015/0236412.

도 10을 참조하면, 동축 핀(1601; coaxial pin)은 안테나의 더 낮은 레벨에 대해 필드(field)를 여기시키는데 이용된다. 일 실시 예에 있어서, 동축 핀(1601)은 용이하게 이용가능한 50Ω 동축 핀이다. 동축 핀(1601)은 접지 평면(1602)을 도전하는 안테나 구조체의 바닥에 결합(예컨대, 볼트 고정)된다.Referring to Figure 10, coaxial pin 1601 is used to excite the field to the lower level of the antenna. In one embodiment, coaxial pin 1601 is a readily available 50Ω coaxial pin. Coaxial pin 1601 is coupled (e.g., bolted) to the bottom of the antenna structure conducting ground plane 1602.

도전성 접지 평면(1602)과는 별도로, 내부 도전체인, 삽입 도전체(1603; interstitial conductor)가 있다. 일 실시 예에 있어서, 도전성 접지 평면(1602; conducting ground plane)과 삽입 도전체(1603; interstitial conductor)는 서로 평행하다. 일 실시 예에 있어서, 접지 평면(1602)과 삽입 도전체(1603) 사이의 거리는 0.1-0.15"이다. 다른 실시 예에 있어서, 이 거리는 λ/2일 수 있고, 여기서 λ는 동작 주파수에서 진행파의 파장이다.Apart from the conductive ground plane 1602, there is an interstitial conductor 1603, which is an internal conductor. In one embodiment, the conducting ground plane 1602 and the interstitial conductor 1603 are parallel to each other. In one embodiment, the distance between ground plane 1602 and insertion conductor 1603 is 0.1-0.15". In another embodiment, this distance may be λ/2, where λ is the value of the traveling wave at the operating frequency. It is a wavelength.

접지 평면(1602)은 스페이서(1604)를 매개로 삽입 도전체(1603)로부터 분리된다. 일 실시 예에 있어서, 스페이서(1604)는 발포체(foam) 또는 공기와 같은 스페이서(air-like spacer)이다. 일 실시 예에 있어서, 스페이서(1604)는 플라스틱 스페이서(plastic spacer)를 포함한다.Ground plane 1602 is separated from insertion conductor 1603 via spacer 1604. In one embodiment, spacer 1604 is foam or an air-like spacer. In one embodiment, spacer 1604 includes a plastic spacer.

삽입 도전체(1603)의 상부에는 유전층(1605; dielectric layer)이 있다. 일 실시 예에 있어서, 유전체 층(1605)은 플라스틱이다. 유전체 층(1605)의 목적은 자유 공간 속도에 비해 진행파를 늦추는 것이다. 일 실시 예에 있어서, 유전체 층(1605)은 자유 공간에 비해 진행파를 30% 만큼 느리게 한다. 일 실시 예에 있어서, 빔 형성을 위해 적절한 굴절률의 범위는 1.2-1.8이고, 여기서 자유 공간은 1과 동일한 굴절률을 정의에 의해 갖는다. 예컨대 플라스틱과 같은 다른 유전체 스페이서 물질이 이 효과를 달성하기 위해 이용될 수 있다. 플라스틱 이외의 물질은 원하는 파 지연 효과를 달성하는 한 이용될 수 있다. 대안적으로, 분포 구조체를 갖는 물질이, 예컨대 기계 가공 또는 리소그래피로 정의될 수 있는 주기적인 서브-파장 금속 구조체(periodic sub-wavelength metallic structures)와 같은, 유전체(1605)로서 이용될 수 있다.On top of the insertion conductor 1603 is a dielectric layer 1605. In one embodiment, dielectric layer 1605 is plastic. The purpose of the dielectric layer 1605 is to slow the traveling wave relative to the free space velocity. In one embodiment, dielectric layer 1605 slows traveling waves by as much as 30% compared to free space. In one embodiment, a range of refractive indices suitable for beam forming is 1.2-1.8, where free space by definition has a refractive index equal to 1. Other dielectric spacer materials, such as plastics, may be used to achieve this effect. Materials other than plastic may be used as long as they achieve the desired wave retardation effect. Alternatively, materials with distributed structures can be used as dielectric 1605, such as periodic sub-wavelength metallic structures that can be defined by machining or lithography.

RF-어레이(1606)는 유전체(1605)의 상부에 있다. 일 실시 예에 있어서, 삽입 도전체(1603)와 RF-어레이(1606) 사이의 거리는 0.1-0.15"이다. 다른 실시 예에 있어서, 이 거리는 일 수 있고, 여기서 는 설계 주파수에서 매체의 유효 파장(effective wavelength)이다.RF-array 1606 is on top of dielectric 1605. In one embodiment, the distance between insertion conductor 1603 and RF-array 1606 is 0.1-0.15". In another embodiment, this distance is can be, where is the effective wavelength of the medium at the design frequency.

안테나는 측면(1607 및 1608)을 포함한다. 측면(1607 및 1608)은 동축 핀(1601)으로부터의 진행파 피드가 삽입 도전체(1603) 아래의 영역(스페이서 층)으로부터 반사를 통해 삽입 도전체(1603) 위의 영역(유전체 층)으로 전파되어지도록 하기 위해 각도지워져 있다. 일 실시 예에 있어서, 측면(1607 및 1608)의 각도는 45°각도이다. 대안적인 실시 예에 있어서, 측면(1607 및 1608)은 반사를 달성하기 위해 연속 반경(continuous radius)으로 대체될 수 있다. 도 10은 45도의 각도를 갖는 각이진 측면을 도시하고, 하위 레벨 피드(lower level feed)로부터 상위 레벨 피드(upper level feed)로 신호 송신을 달성하는 다른 각도가 이용될 수 있다. 즉, 하위 피드에서 유효 파장이 일반적으로 상위 피드와는 다르게 될 것임을 고려하면, 이상적인 45°각도로부터의 몇몇 편차는 하위에서 상위 피드 레벨까지의 송신을 돕는데 이용될 수 있다. 예컨대, 다른 실시 예에 있어서, 45° 각도는 단일 스텝으로 대체된다. 안테나의 일단 상의 스텝은 유전체 층, 삽입 도전체, 및 스페이서 층 주외로 간다. 동일한 두 스텝이 이들 층의 타단에 있다.The antenna includes sides 1607 and 1608. Sides 1607 and 1608 allow the traveling wave feed from coaxial pin 1601 to propagate through reflection from the area below insertion conductor 1603 (spacer layer) to the area above insertion conductor 1603 (dielectric layer). It is angled to prevent damage. In one embodiment, the angle of sides 1607 and 1608 is a 45° angle. In an alternative embodiment, sides 1607 and 1608 may be replaced with continuous radii to achieve reflection. Figure 10 shows an angled side with an angle of 45 degrees, other angles can be used to achieve signal transmission from lower level feed to upper level feed. That is, considering that the effective wavelength in the lower feed will generally be different than the upper feed, some deviation from the ideal 45° angle can be used to aid transmission from the lower to upper feed levels. For example, in another embodiment, the 45° angle is replaced by a single step. The step on one end of the antenna goes around the dielectric layer, intercalating conductor, and spacer layer. The same two steps are at the other end of these floors.

동작에 있어서, 피드 파가 동축 핀(1601)으로부터 공급될 때, 파는 접지 평면(1602)과 삽입 도전체(1603) 사이의 영역에서 동축 핀(1601)으로부터 동심적으로 배향되어 진행한다. 동심적 유출 파는 측면(1607 및 1608)에 의해 반사되고 삽입 도전체(1603)와 RF 어레이(1606) 사이의 영역에서 안쪽으로 진행한다. 원형 둘레(circular perimeter)의 에지로부터의 반사는 파가 동 위상을 유지하도록 한다(즉, 이는 동-위상 반사이다(in-phase reflection)). 진행 파는 유전체 층(1605)에 의해 느려진다. 이 시점에서, 진행 파는 원하는 산란을 얻기 위해 RF 어레이(1606)에서 엘리먼트와 상호작용하고 여기하는 것을 시작한다.In operation, when a feed wave is supplied from the coaxial pin 1601, the wave propagates concentrically oriented from the coaxial pin 1601 in the area between the ground plane 1602 and the insertion conductor 1603. The concentric outgoing wave is reflected by sides 1607 and 1608 and propagates inward in the area between insertion conductor 1603 and RF array 1606. Reflection from the edge of the circular perimeter causes the wave to remain in phase (i.e., it is in-phase reflection). The traveling wave is slowed down by the dielectric layer 1605. At this point, the traveling wave begins to interact and excite elements in the RF array 1606 to achieve the desired scattering.

진행파를 종료시키기 위해, 말단(1609)이 안테나의 기하학적 중심에서 안테나에 포함된다. 일 실시 예에 있어서, 말단(1609)은 핀 말단(예컨대, 50Ω 핀)을 구비한다. 다른 실시 예에 있어서, 말단(1609)은 안테나의 피드 구조체를 통해 되돌아오는 이용되지 않은 에너지의 반사를 방지하기 위해 이용되지 않은 에너지를 종료하는 RF 흡수기(RF absorber)를 구비한다. 이들은 RF 어레이(1606)의 상부에서 이용될 수 있다.To terminate the traveling wave, an end 1609 is included in the antenna at its geometric center. In one embodiment, end 1609 has a pin end (eg, a 50Ω pin). In another embodiment, terminal 1609 is provided with an RF absorber that terminates unused energy to prevent reflection of unused energy back through the feed structure of the antenna. These may be used on top of the RF array 1606.

도 11은 유출 파를 갖는 안테나 시스템의 다른 실시 예를 예시한다. 도 11을 참조하면, 2개의 접지 평면(1610 및 1611)은 접지 평면 사이에서 유전체 층(1612)(예컨대, 플라스틱 층 등)과 서로 실질적으로 평행하다. RF 흡수기(1619)(예컨대, 저항기)는 2개의 접지 평면(1610 및 1611)을 함께 결합시킨다. 동축 핀(1615)(예컨대, 50Ω)이 안테나에 공급된다. RF 어레이(1616)는 유전체 층(1612) 및 접지 평면(1611)의 상부에 있다.Figure 11 illustrates another embodiment of an antenna system with emanating waves. Referring to Figure 11, two ground planes 1610 and 1611 are substantially parallel to each other with a dielectric layer 1612 (eg, a plastic layer, etc.) between the ground planes. An RF absorber 1619 (e.g., a resistor) couples the two ground planes 1610 and 1611 together. A coaxial pin 1615 (e.g. 50Ω) is supplied to the antenna. RF array 1616 is on top of dielectric layer 1612 and ground plane 1611.

동작에 있어서, 피드 파는 동축 핀(1615)을 통해 공급되고 동심으로 바깥쪽으로 진행하고 RF 어레이(1616)의 엘리먼트와 상호작용한다.In operation, the feed wave is fed through the coaxial pin 1615 and travels concentrically outward and interacts with elements of the RF array 1616.

도 10 및 도 11의 양쪽 안테나에서 원통형 피드는 안테나의 서비스 각도를 향상시킨다. 안테나 시스템의 플러스 또는 마이너스 45도 방위각 (±45°Az) 및 플러스 또는 마이너스 25도 고도(±25°El)의 서비스 각도 대신, 일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템은 모든 방향에서의 보어 사이트로부터 75도(75°)의 서비스 각도를 갖는다. 많은 개별 방사기로 구성된 소정의 빔 형성 안테나와 같이, 전체 안테나 이득은 구성요소 엘리먼트의 이득에 의존하고, 그들 자체는 각도 의존적(angle-dependent)이다. 공통 방사 엘리먼트를 이용할 때, 빔이 보어 사이트를 더 벗어나 향하게 됨에 따라 전체 안테나 이득이 감소한다. 보어 사이트를 벗어나는 75도에서, 약 6dB의 상당한 이득 저하가 예상된다.The cylindrical feed in both antennas of Figures 10 and 11 improves the service angle of the antennas. Instead of the antenna system having a service angle of plus or minus 45 degrees azimuth (±45°Az) and plus or minus 25 degrees elevation (±25°El), in one embodiment, the antenna system has a service angle of plus or minus 45 degrees azimuth (±45°Az), in one embodiment, the antenna system has a service angle of plus or minus 45 degrees azimuth (±45°Az) and plus or minus 25 degrees elevation (±25°El). It has a service angle of degrees (75°). As with any beamforming antenna composed of many individual radiators, the overall antenna gain depends on the gains of the component elements, which themselves are angle-dependent. When using a common radiating element, the overall antenna gain decreases as the beam is directed further away from the bore site. At 75 degrees out of the bore site, a significant gain drop of approximately 6dB is expected.

원통형 피드를 갖춘 안테나의 실시 예는 하나 이상의 문제를 해결한다. 이들은 회사 분배기 네트워크(corporate divider network)로 급전된 안테나에 비해 피드 구조체를 획기적으로 단순화하여 전체 요구되는 안테나 및 안테나 피드 체적(antenna feed volume)을 감소시키는 것과; 더 거친 제어기기(coarser controls)로 높은 빔 성능을 유지하는 것에 의해 제조 및 제어 에러에 대한 민감도 감소시키는 것 (완전히 이진 제어까지 확장); 원통형으로 배향된 피드 파가 원거리 필드에서 공간적으로 다양한 측면 로브(diverse side lobes)를 초래하기 때문에 직선형 피드(rectilinear feeds)와 비교하여 더 유리한 측면 로브 패턴을 부여하는 것; 및 편파기(polarizer)를 필요로 하지 않으면서 좌측 원편파, 우측 원편파 및 선형 편파를 허용하는 것을 포함하는 동적으로 되는 편파를 허용하는 것;을 포함한다.Embodiments of antennas with cylindrical feeds solve one or more problems. They dramatically simplify the feed structure compared to antennas fed into a corporate divider network, reducing the overall required antenna and antenna feed volume; Reduced sensitivity to manufacturing and control errors by maintaining high beam performance with coarser controls (extends to fully binary controls); imparting a more advantageous side lobe pattern compared to rectilinear feeds since cylindrically oriented feed waves result in spatially divergent side lobes in the far field; and allowing polarization to be dynamic, including allowing left circular polarization, right circular polarization, and linear polarization without requiring a polarizer.

파 산란 엘리먼트의 어레이Array of wave scattering elements

도 10의 RF 어레이(1606) 및 도 11의 RF 어레이(1616)는 방사기(radiators)로서 작용하는 패치 안테나의 그룹(즉, 산란기(scatterers))을 포함하는 파 산란 서브시스템(wave scattering subsystem)을 포함한다. 이 패치 안테나의 그룹은 산란 메타물질 엘리먼트의 어레이를 구비한다.RF array 1606 in FIG. 10 and RF array 1616 in FIG. 11 include a wave scattering subsystem that includes a group of patch antennas (i.e., scatterers) that act as radiators. Includes. This group of patch antennas is equipped with an array of scattering metamaterial elements.

일 실시 예에 있어서, 안테나 시스템의 각 산란 엘리먼트는 하부 도전체(lower conductor), 유전체 기판(dielectric substrate), 및 상부 도전체에서 에칭되거나 그에 대해 증착되는 상보 전기 유도-용량성 공진기(complementary electric inductive-capacitive resonator)("상보 전기 LC"또는 "CELC")를 내장하는 상부 도전체(upper conductor)로 구성되는 단위 셀의 일부분이다.In one embodiment, each scattering element of the antenna system includes a lower conductor, a dielectric substrate, and a complementary electric inductive resonator etched from or deposited on the upper conductor. It is part of a unit cell consisting of an upper conductor containing a -capacitive resonator ("complementary electric LC" or "CELC").

일 실시 예에 있어서, 액정(LC)은 산란 엘리먼트 주위의 갭에 주입된다. 액정은 각 단위 셀로 캡슐화되고, 그 패치와 관련된 상부 도전체로부터 슬롯과 관련된 하부 도전체를 분리한다. 액정은 액정을 구비하는 분자의 배향의 함수인 유전율을 갖고, 분자의 배향 (및 따라서 유전율)은 액정을 가로지르는 바이어스 전압을 조정하는 것에 의해 제어될 수 있다. 이 특성을 이용하여 액정은 유도 파로부터 CELC로 에너지를 송신하기 위한 온/오프 스위치로서 작용한다. 스위치 온될 때, CELC는 전기적으로 작은 다이폴 안테나와 같은 전자기파를 방출한다.In one embodiment, liquid crystals (LC) are injected into the gap around the scattering element. A liquid crystal is encapsulated in each unit cell and separates the lower conductor associated with the slot from the upper conductor associated with the patch. Liquid crystals have a dielectric constant that is a function of the orientation of the molecules comprising the liquid crystal, and the orientation of the molecules (and thus the dielectric constant) can be controlled by adjusting the bias voltage across the liquid crystal. Using this property, the liquid crystal acts as an on/off switch to transmit energy from guided waves to the CELC. When switched on, the CELC emits electromagnetic waves, electrically equivalent to a small dipole antenna.

LC의 두께를 제어하면 빔 스위칭 속도가 증가한다. 하부 도전체와 상부 도전체 사이의 갭(액정의 두께)의 50 페센트(50%) 감소는 속도에서 4배의 증가를 초래한다. 다른 실시 예에 있어서, 액정의 두께는 대략 14 밀리초(14ms)의 빔 스위칭 속도를 초래한다. 일 실시 예에 있어서, LC는 7 밀리초(7ms) 요건에 부합될 수 있도록 응답성(responsiveness)을 향상시키기 위해 당 업계에서 공지된 방식으로 도핑된다.Controlling the thickness of the LC increases the beam switching speed. A 50 percent (50%) reduction in the gap between the bottom and top conductors (thickness of the liquid crystal) results in a four-fold increase in speed. In another embodiment, the thickness of the liquid crystal results in a beam switching speed of approximately 14 milliseconds (14 ms). In one embodiment, the LC is doped in a manner known in the art to improve responsiveness to meet the 7 millisecond (7ms) requirement.

CELC 엘리먼트는 CELC 엘리먼트의 평면에 평행하게 적용되고 CELC 갭 보완물(complement)에 수직으로 적용되는 자계(magnetic field)에 응답한다. 전압이 메타물질 산란 단위 셀에서 액정에 인가되면, 유도 파의 자계 성분이 CELC의 자기 여기(magnetic excitation)를 유도하고, 결국 유도 파와 동일한 주파수로 전자기 파를 발생시킨다.The CELC element responds to a magnetic field applied parallel to the plane of the CELC element and perpendicular to the CELC gap complement. When voltage is applied to the liquid crystal in the metamaterial scattering unit cell, the magnetic field component of the guided wave induces magnetic excitation of the CELC, eventually generating an electromagnetic wave at the same frequency as the guided wave.

단일 CELC에 의해 발생된 전자기 파의 위상은 유도 파의 벡터 상에서 CELC의 위치에 의해 선택될 수 있다. 각 셀은 CELC와 평행하는 유도 파로 동 위상의 파를 발생시킨다. CELC는 파장보다 작기 때문에, 출력 파는 CELC 아래를 지나감에 따라 유도 파의 위상과 동일한 위상을 갖는다.The phase of the electromagnetic wave generated by a single CELC can be selected by the position of the CELC on the vector of the guided wave. Each cell generates a wave in phase with the guided wave parallel to the CELC. Since the CELC is smaller than the wavelength, the output wave has the same phase as the guided wave as it passes below the CELC.

일 실시 예에 있어서, 이 안테나 시스템의 원통형 피드 기하학적 구조는 CELC 엘리먼트가 파 피드에서 파의 벡터에 대해 45도(45°) 각도로 위치될 수 있도록 한다. 엘리먼트의 이러한 위치는 엘리먼트로부터 발생되거나 엘리먼트에 의해 수신된 자유 공간 파의 편파(polarization)의 제어를 가능하게 한다. 일 실시 예에 있어서, CELC는 안테나의 동작 주파수의 자유 공간 파장보다 작은 엘리먼트간 공간(inter-element spacing)으로 배열된다. 예컨대, 파장 당 4개의 산란 엘리먼트가 있다면, 30GHz 송신 안테나에서의 엘리먼트는 약 2.5mm이다(즉, 30GHz의 10mm 자유 공간 파장의 1/4).In one embodiment, the cylindrical feed geometry of this antenna system allows the CELC element to be positioned at a forty-five degree (45°) angle to the vector of the wave in the wave feed. This position of the element allows control of the polarization of the free space waves generated from or received by the element. In one embodiment, the CELC is arranged with inter-element spacing less than the free space wavelength of the antenna's operating frequency. For example, if there are four scattering elements per wavelength, the elements in a 30 GHz transmit antenna are approximately 2.5 mm (i.e., 1/4 the 10 mm free space wavelength at 30 GHz).

일 실시 예에 있어서, CELC는 2개의 사이에서 액정을 갖는 슬롯에 걸쳐 공동-위치된 패치를 포함하는 패치 안테나로 구현된다. 이와 관련하여, 메타물질 안테나는 슬롯형(산란) 도파관(slotted (scattering) wave guide)과 같이 작용한다. 슬롯형 도파관에 따르면, 출력 파의 위상은 유도 파와 관련된 슬롯의 위치에 의존한다.In one embodiment, the CELC is implemented with a patch antenna comprising two patches co-located across a slot with a liquid crystal between them. In this regard, the metamaterial antenna acts like a slotted (scattering) wave guide. According to slotted waveguides, the phase of the output wave depends on the position of the slot with respect to the guided wave.

셀 배치cell placement

일 실시 예에 있어서, 안테나 엘리먼트는 시스템적 매트릭스 구동 회로(systematic matrix drive circuit)를 허용하는 방식으로 원통형 피드 안테나 개구면 상에 배치된다. 셀의 배치는 매트릭스 구동을 위한 트랜지스터의 배치를 포함한다. 도 12는 안테나 엘리먼트에 대한 매트릭스 구동 회로의 배치의 일 실시 예를 예시한다. 도 12를 참조하면, 행 컨트롤러(1701; row controller)는 각각 행 선택 신호(row select signals)(Row1 및 Row2)를 매개로 트랜지스터(1711 및 1712)에 결합되고, 열 컨트롤러(1702; column controller)는 열 선택 신호(column select signal)(Colum1)를 매개로 트랜지스터(1711 및 1712)에 결합된다. 트랜지스터(1711)는 또한 패치(1723)에 대한 연결을 매개로 안테나 엘리먼트(1721)에 결합되는 한편, 트랜지스터(1712)는 패치(1732)에 대한 연결을 매개로 안테나 엘리먼트(1722)에 결합된다.In one embodiment, the antenna elements are disposed on the cylindrical feed antenna aperture in a manner to allow a systematic matrix drive circuit. The arrangement of cells includes the arrangement of transistors for driving the matrix. 12 illustrates one embodiment of the arrangement of a matrix drive circuit for antenna elements. Referring to FIG. 12, the row controller 1701 is coupled to the transistors 1711 and 1712 via row select signals (Row1 and Row2), respectively, and the column controller 1702 is connected to the transistors 1711 and 1712. is coupled to the transistors 1711 and 1712 via a column select signal (Colum1). Transistor 1711 is also coupled to antenna element 1721 via a connection to patch 1723, while transistor 1712 is coupled to antenna element 1722 via a connection to patch 1732.

비-균일 그리드(non-regular grid)로 배치된 단위 셀을 갖는 원통형 피드 안테나 상의 매트릭스 구동 회로를 실현하기 위한 초기 접근법에 있어서, 2가지 단계가 수행된다. 첫 번째 단계에서, 셀이 동심원 링 상에 배치되고, 각 셀은 셀 옆에 배치되고 각 셀을 개별적으로 구동하기 위한 스위치로서 작용하는 트랜지스터에 연결된다. 두 번째 단계에서, 매트릭스 구동 회로는 매트릭스 구동 접근법이 요구하는 바와 같이 모든 트랜지스터를 고유 어드레스(unique address)와 연결하기 위해 구축된다. 매트릭스 구동 회로는 (LCD와 유사한) 행 및 열 트레이스(row and column traces)에 의해 구축되지만 셀은 링에 배치되기 때문에, 각 트랜지스터에 대해 고유 어드레스를 할당하는 시스템적 방법은 없다. 이 매핑 문제는 모든 트랜지스터를 포괄하기 위해 매우 복잡한 회로를 초래하고 라우팅(routing)을 달성하기 위해 물리적 트레이스 수에서의 상당한 증가로 이어진다. 셀의 고 밀도 때문에, 이러한 트레이스는 커플링 효과에 기인하여 안테나의 RF 성능을 방해한다. 또한, 트레이스의 복잡성과 높은 패킹 밀도에 기인하여, 트레이스의 라우팅이 상업적으로 이용가능한 레이아웃 도구에 의해서는 달성될 수 없다.In an initial approach to realize a matrix drive circuit on a cylindrical feed antenna with unit cells arranged in a non-regular grid, two steps are performed. In the first step, the cells are placed on a concentric ring, and each cell is connected to a transistor that is placed next to the cell and acts as a switch to drive each cell individually. In the second step, a matrix drive circuit is built to connect every transistor with a unique address as required by the matrix drive approach. Matrix drive circuits are built by row and column traces (similar to LCDs), but because the cells are placed in a ring, there is no systematic way to assign a unique address to each transistor. This mapping problem results in very complex circuitry to encompass all the transistors and a significant increase in the number of physical traces to achieve routing. Because of the high density of cells, these traces interfere with the RF performance of the antenna due to coupling effects. Additionally, due to the complexity and high packing density of the traces, routing of the traces cannot be achieved by commercially available layout tools.

일 실시 예에 있어서, 매트릭스 구동 회로는 셀 및 트랜지스터가 배치되기 전에 미리 정의된다. 이는 각 고유 어드레스로 모든 셀을 구동하는데 필요한 트레이스의 최소 수를 확실히 한다. 이 전략은 구동 회로의 복잡성을 줄이고 라우팅을 단순화하여 안테나의 RF 성능을 실질적으로 향상시킨다.In one embodiment, the matrix drive circuit is predefined before the cells and transistors are placed. This ensures the minimum number of traces needed to drive every cell with each unique address. This strategy substantially improves the RF performance of the antenna by reducing the complexity of the drive circuit and simplifying routing.

특히, 하나의 접근법에서, 첫 번째 단계에서, 셀은 각 셀의 고유 어드레스를 설명하는 행과 열로 구성된 규칙적인 직사각형 그리드(regular rectangular grid) 상에 배치된다. 두 번째 단계에서, 셀은 첫 번째 단계에서 정의된 바와 같이 행과 열에 대해 그들의 어드레스와 연결을 유지하는 동안 동심원으로 그룹화되어 변환된다. 이 변환의 목표는 링 상에 셀을 놓을뿐만 아니라 셀 사이의 거리 및 전체 개구면에 걸쳐 일정한 링 사이의 거리를 유지하는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해, 셀을 그룹화하기 위한 몇 가지 방법이 있다.In particular, in one approach, in a first step, cells are placed on a regular rectangular grid consisting of rows and columns that describe each cell's unique address. In the second step, cells are grouped and transformed into concentric circles while maintaining their addresses and associations with rows and columns as defined in the first step. The goal of this transformation is not only to place cells on rings, but also to keep the distance between cells and the distance between rings constant over the entire aperture surface. To achieve this goal, there are several ways to group cells.

일 실시 예에 있어서, TFT 패키지는 매트릭스 드라이브의 배치 및 고유 어드레싱을 가능하게 하는데 이용된다. 도 13은 TFT 패키지의 일 실시 예를 예시한다. 도 13을 참조하면, 입력 및 출력 포트를 갖는 TFT 및 홀드 캐패시터(1803; hold capacitor)가 도시된다. 행과 열을 이용하여 TFT를 함께 연결하기 위해 트레이스(1801)에 연결된 2개의 입력 포트와 트레이스(1802)에 연결된 2개의 출력 포트가 있다. 일 실시 예에 있어서, 행 및 열 트레이스는 행 및 열 트레이스 사이의 결합을 감소시키고, 그리고 잠재적으로 최소화하기 위해 90 ° 각도로 교차한다. 일 실시 예에 있어서, 행 및 열 트레이스는 다른 층 상에 있다In one embodiment, a TFT package is used to enable placement and unique addressing of matrix drives. Figure 13 illustrates one embodiment of a TFT package. Referring to Figure 13, a TFT with input and output ports and a hold capacitor 1803 are shown. To connect the TFTs together using rows and columns, there are two input ports connected to trace 1801 and two output ports connected to trace 1802. In one embodiment, the row and column traces intersect at a 90° angle to reduce and potentially minimize coupling between the row and column traces. In one embodiment, the row and column traces are on different layers.

동시 송수신(Full Duplex) 통신 시스템의 예Example of simultaneous transmission and reception (Full Duplex) communication system

다른 실시 예에 있어서, 결합된 안테나 개구면은 동시 송수신 통신 시스템(full duplex communication system)에서 이용된다. 도 14는 동시 송신 및 수신 경로를 갖춘 통신 시스템의 실시 예의 블록도이다. 하나의 송신 경로 및 하나의 수신 경로 만이 도시되어 있지만, 통신 시스템은 하나 이상의 송신 경로 및/또는 하나 이상의 수신 경로를 포함할 수 있다.In another embodiment, the combined antenna aperture is used in a full duplex communication system. Figure 14 is a block diagram of an embodiment of a communication system with simultaneous transmit and receive paths. Although only one transmit path and one receive path are shown, the communication system may include one or more transmit paths and/or one or more receive paths.

도 14를 참조하면, 안테나(1401)는 상기한 바와 같이 다른 주파수에서 동시에 송신 및 수신하도록 독립적으로 동작가능한 2개의 공간적으로 인터리브된(interleaved) 안테나 어레이(spatially interleaved antenna arrays)를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 안테나(1401)는 다이플렉서(1445; diplexer)에 연결된다. 커플링은 하나 이상의 피딩 네트워크(feeding networks)에 의해 이루어질 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 방사형 피드 안테나(radial feed antenna)의 경우, 다이플렉서(1445)는 두 신호를 결합하고, 안테나(1401)와 다이플렉서(1445) 사이의 연결은 양쪽 주파수를 반송할 수 있는 단일 광대역 피딩 네트워크(single broad-band feeding network)이다.Referring to FIG. 14, antenna 1401 includes two spatially interleaved antenna arrays that are independently operable to simultaneously transmit and receive at different frequencies, as described above. In one embodiment, antenna 1401 is connected to a diplexer 1445. Coupling may be achieved by one or more feeding networks. In one embodiment, for a radial feed antenna, diplexer 1445 combines the two signals, and the connection between antenna 1401 and diplexer 1445 carries both frequencies. It is a single broad-band feeding network that can

다이플렉서(1445)는 저잡음 블록 다운 컨버터(LNBs; low noise block down converter)(1427)에 연결되고, 이는 당 업계에서 공지된 방식으로 잡음 필터링 기능(noise filtering function) 및 다운 변환 및 증폭 기능(down conversion and amplification function)을 수행한다. 일 실시 예에 있어서, LNB(1427)는 실외 유닛(ODU; out-door unit)에 있다. 다른 실시 예에 있어서, LNB(1427)는 안테나 장치에 통합된다. LNB(1427)는 컴퓨팅 시스템(1440) (예컨대, 컴퓨터 시스템, 모뎀 등)에 결합되는 모뎀(1460)에 결합된다.The diplexer 1445 is connected to a low noise block down converter (LNBs) 1427, which provides a noise filtering function and a down conversion and amplification function in a manner known in the art. down conversion and amplification function). In one embodiment, LNB 1427 is in an outdoor unit (ODU). In another embodiment, LNB 1427 is integrated into the antenna device. LNB 1427 is coupled to modem 1460, which is coupled to computing system 1440 (e.g., computer system, modem, etc.).

모뎀(1460)은 다이플렉서(1445)로부터 출력된 수신된 신호를 디지털 포맷으로 변환시키기 위해 LNB(1427)에 결합되는 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog-to-digital converter)(1422)를 포함한다. 일단 디지털 포맷으로 변환되면, 신호는 복조기(1423)에 의해 복조되고 수신된 파 상에서 인코딩된 데이터를 얻기 위해 디코더(1424)에 의해 디코딩된다. 디코딩된 데이터는 이어 이를 컴퓨팅 시스템(1440)으로 전송하는 컨트롤러(1425)로 전송된다.Modem 1460 includes an analog-to-digital converter (ADC) 1422 coupled to LNB 1427 to convert the received signal output from diplexer 1445 into digital format. do. Once converted to digital format, the signal is demodulated by demodulator 1423 and decoded by decoder 1424 to obtain encoded data on the received wave. The decoded data is then transmitted to controller 1425, which transmits it to computing system 1440.

모뎀(1460)은 또한 컴퓨팅 시스템(1440)으로부터 송신될 데이터를 인코딩하는 인코더(1430)를 포함한다. 인코딩된 데이터는 변조기(1431)에 의해 변조되고, 이어 DAC(digital-to-analog converter)(1432)에 의해 아날로그로 변환된다. 이어, 아날로그 신호는 BUC(업-컨버트 및 고역 증폭기; up-convert and high pass amplifier)(1433)에 의해 필터링되고 다이플렉서(1445)의 하나의 포트에 제공된다. 일 실시 예에 있어서, BUC(1433)는 실외 유닛(ODU)에 있다.Modem 1460 also includes an encoder 1430 that encodes data to be transmitted from computing system 1440. The encoded data is modulated by a modulator 1431 and then converted to analog by a digital-to-analog converter (DAC) 1432. The analog signal is then filtered by a BUC (up-convert and high pass amplifier) 1433 and provided to one port of the diplexer 1445. In one embodiment, BUC 1433 is in an outdoor unit (ODU).

당 업계에서 공지된 방식으로 동작하는 다이플렉서(1445)는 송신을 위해 송신 신호를 안테나(1401)에 제공한다. 컨트롤러(1450)는 안테나(1401)를 제어하고, 단일 결합된 물리적 개구면 상에서 안테나 엘리먼트의 2개의 어레이를 포함한다. 통신 시스템은 상기한 결합기/조정기(combiner/arbiter)를 포함하도록 변형될 것이다. 이러한 경우, 결합기/조정기는 모뎀 이후 그러나 BUC 및 LNB 이전에 있다. 도 14에 도시된 동시 송수신 통신 시스템은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 인터넷 통신, (소프트웨어 업데이팅을 포함하는) 차량 통신 등을 포함하는 다수의 어플리케이션을 갖는다는 점을 주지해야 한다. 여기에 개시된 다수의 예시적 실시 예가 있다.Diplexer 1445, operating in a manner known in the art, provides a transmit signal to antenna 1401 for transmission. Controller 1450 controls antenna 1401 and includes two arrays of antenna elements on a single combined physical aperture. The communication system may be modified to include the combiner/arbiter described above. In this case, the combiner/coordinator is after the modem but before the BUC and LNB. It should be noted that the simultaneous transmit and receive communication system shown in FIG. 14 has numerous applications including, but not limited to, Internet communication, vehicle communication (including software updating), and the like. There are a number of example embodiments disclosed herein.

예 1은 제1 위성을 추적하기 위해 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나로 제1 빔을 발생시키는 단계와; 제1 위성을 추적하기 위해 제1 빔을 발생시키는 동안 동시에 제2 위성을 추적하기 위해 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나로 제2 빔을 발생시키는 단계; 및 제1 위성으로부터 제2 위성으로 트래픽을 핸드 오프하는 단계;를 갖추어 이루어지는 방법이다.Example 1 includes generating a first beam with a single electronically steered flat-panel antenna to track a first satellite; generating a first beam to track a first satellite while simultaneously generating a second beam to track a second satellite with a single electronically steered flat-panel antenna; and handing off traffic from the first satellite to the second satellite.

예 2는 트래픽을 핸드 오프하는 단계가 제1 위성으로부터 제2 위성으로 이행되는 내내 연결이 유지되도록 끊김없이 수행되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 방법이다.Example 2 is the method of Example 1, which can optionally include handing off the traffic is performed seamlessly such that the connection is maintained throughout the transition from the first satellite to the second satellite.

예 3은 제2 위성을 추적하기 위해 제2 빔을 발생시키기 이전에, 제1 빔을 발생시키는 동안 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 제2 빔을 발생시키는 단계를 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 방법이다.Example 3 may optionally include generating a second beam to acquire a signal from a second satellite while generating the first beam prior to generating the second beam to track the second satellite. This is method 1.

예 4는 주파수가 다른 캐리어 주파수를 가리키기 위해 각각의 제1 및 제2 빔을 발생시키도록 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나의 안테나 개구면 상의 각각의 제1 및 제2 세트의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트에 적용하기 위한 제1 및 제2 패턴을 발생시키는 단계로서, 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 다른, 단계를 선택적으로 포함할 수 있는 예 3의 방법이다.Example 4 shows first and second sets of radio frequencies (RF) on the antenna aperture of a flat-panel antenna that is electronically steered to generate respective first and second beams to point to different carrier frequencies. ) The method of Example 3 may optionally include generating first and second patterns for application to radiating antenna elements, wherein the first and second sets of RF radiating antenna elements are different.

예 5는 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 다른 수의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 4의 방법이다.Example 5 is the method of example 4, where the first and second sets of RF radiating antenna elements can optionally include having different numbers of RF radiating antenna elements.

예 6은 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 안테나 개구면 상에 임의로 분포되는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 4의 방법이다.Example 6 is the method of Example 4, which can optionally include RF radiating antenna elements of the first and second sets of RF radiating antenna elements being randomly distributed over the antenna aperture.

예 7은 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 파에 대한 중앙 피드 주위의 링에 있고, 더욱이 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 각 링이 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 링 사이에 있는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 4의 방법이다.Example 7 is wherein the first and second sets of RF radiation antenna elements are in a ring around a central feed for the wave, furthermore, each ring of the first set of RF radiation antenna elements is configured to emit RF radiation of the second set of RF radiation antenna elements. The method of Example 4 can optionally include what is between the rings of antenna elements.

예 8은 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 파에 대한 중앙 피드 주위의 링에 있고, 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 링과 비교하여 중앙 피드에 가장 가까운 링에 있는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 4의 방법이다.Example 8 is wherein the first and second sets of RF radiating antenna elements are in a ring around a central feed to the wave, and the first set of RF radiating antenna elements is in a ring about a central feed relative to the ring of the second set of RF radiating antenna elements. This is the method of Example 4 that can selectively include those in the ring closest to .

예 9는 제2 빔이 제2 위성의 예측된 위치를 가리키는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 3의 방법이다.Example 9 is the method of Example 3, which can optionally include the second beam pointing to the predicted location of the second satellite.

예 10은 예측된 위치가 명령된 2-라인 엘리먼트(TLE)를 기초로 하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 방법이다.Example 10 is the method of Example 1 which can optionally include that the predicted position is based on a commanded 2-line element (TLE).

예 11은 제1 및 제2 빔을 발생시키는 단계가 다른 안테나 이득을 갖고, 제2 빔이 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 이용될 때 제2 빔에 대한 이득이 제1 빔에 대한 이득보다 낮은 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 방법이다.Example 11 shows that generating the first and second beams have different antenna gains, and when the second beam is used to acquire a signal from a second satellite, the gain for the second beam is greater than the gain for the first beam. This is the method of Example 1, which can optionally include a low value.

예 12는 제2 빔이 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 이용될 때 제1 빔보다 넓은 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 3의 방법이다. Example 12 is the method of Example 3 that can optionally include a second beam being wider than the first beam when used to acquire a signal from a second satellite.

예 13은 제1 위성을 추적하기 위해 제1 빔을 발생시키는 단계 이전에, 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나가 단일 빔을 발생시키는 단일 빔 구성에서 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나를 동작시키는 단계로서, 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나의 안테나 개구면 상의 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 이용하여 제2 위성을 추적하기 위해 제3 빔을 발생시키는 단계를 포함하고, 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 제1 빔을 발생시키기 위한 안테나 개구면 상의 제2 세트의 RF 방사 엘리먼트의 RF 방사 엘리먼트 및 제2 빔을 발생시키기 위한 안테나 개구면 상의 제3 세트의 RF 방사 엘리먼트의 RF 방사 엘리먼트를 포함하는, 단계; 및 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나가 제1 및 제2 빔을 발생시키는 2-빔 구성에 대해 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나를 스위칭하도록 결정하는 단계;를 선택적으로 포함할 수 있는 예 1의 방법이다.Example 13 includes operating an electronically steered flat-panel antenna in a single beam configuration, prior to generating a first beam to track a first satellite, wherein the electronically steered flat-panel antenna generates a single beam. generating a third beam to track the second satellite using a first set of RF radiation antenna elements on the antenna aperture of the electronically steered flat-panel antenna, the first set of RF radiation The antenna element includes an RF radiating element of a second set of RF radiating elements on the antenna aperture for generating the first beam and an RF radiating element of a third set of RF radiating elements on the antenna aperture for generating the second beam. to do, step; and determining to switch the electronically steered flat-panel antenna to a two-beam configuration in which the electronically steered flat-panel antenna generates first and second beams. It's a method.

예 14는 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 제2 및 제3 세트의 RF 방사 엘리먼트를 포함하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 13의 방법이다.Example 14 is the method of example 13, wherein the first set of RF radiating antenna elements can optionally include comprising second and third sets of RF radiating elements.

예 15는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나로서, 안테나가: 복수의 전자적으로 제어되는 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나 개구면; 및 제1 위성을 추적하기 위해 안테나 개구면으로 제1 빔을 발생시키도록 안테나 개구면을 제어하고, 제1 위성을 추적하기 위해 제1 빔을 발생시키는 동안 동시에 제2 위성을 추적하기 위해 안테나 개구면으로 제2 빔을 발생시키고, 제1 위성으로부터 제2 위성으로 트래픽을 핸드 오프하도록 안테나 개구면에 결합된 하나 이상의 프로세서;를 구비하여 구성된다.Example 15 is an antenna for use in satellite communications, the antenna comprising: an electronically steered flat-panel antenna aperture having a plurality of electronically controlled radio frequency (RF) radiating antenna elements; and controlling the antenna aperture to generate a first beam with the antenna aperture to track the first satellite, and simultaneously opening the antenna to track the second satellite while generating the first beam to track the first satellite. and one or more processors coupled to the antenna aperture to generate a second beam in a spherical surface and to hand off traffic from the first satellite to the second satellite.

예 16은 하나 이상의 프로세서가 제1 위성으로부터 제2 위성으로 이행하는 내내 연결이 유지되도록 제1 위성과 제2 위성 사이에서 끊김없이 트래픽을 핸드 오프하도록 동작가능한 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 15의 방법이다.Example 16 may optionally include one or more processors operable to seamlessly hand off traffic between the first satellite and the second satellite such that the connection is maintained throughout the transition from the first satellite to the second satellite. It's a method.

예 17은 제2 위성을 추적하기 위해 제2 빔을 발생시키는 것 이전에, 하나 이상의 프로세서가 제1 빔을 발생시키는 동안 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 제2 빔을 발생시키도록 안테나 개구면을 제어하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 15의 방법이다.Example 17 provides an antenna aperture to generate a second beam to acquire a signal from a second satellite while one or more processors generate the first beam prior to generating the second beam to track the second satellite. The method of Example 15 can optionally include controlling .

예 18은 하나 이상의 프로세서가 주파수가 다른 캐리어 주파수를 가리키기 위해 각각의 제1 및 제2 빔을 발생시키도록 안테나 개구면의 각각의 제1 및 제2 세트의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트의 제1 및 제2 세트에 적용하기 위한 제1 및 제2 패턴을 발생시키도록 동작가능하고, 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 다른 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 17의 방법이다.Example 18 provides one or more processors of respective first and second sets of radio frequency (RF) radiating antenna elements of an antenna aperture to generate respective first and second beams to point at different carrier frequencies. The method of Example 17 operable to generate first and second patterns for application to the first and second sets, wherein the RF radiating antenna elements of the first and second sets can optionally include different ones.

예 19는 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 다른 수의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 18의 방법이다.Example 19 is the method of example 18, where the first and second sets of RF radiating antenna elements can optionally include having different numbers of RF radiating antenna elements.

예 20은 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 파에 대한 중앙 피드 주위의 링에 있고, 더욱이 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 각 링이 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 링 사이에 있는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 18의 방법이다.Example 20 is wherein the first and second sets of RF radiation antenna elements are in a ring around a central feed for the wave, wherein each ring of the first set of RF radiation antenna elements is configured to emit RF radiation of the second set of RF radiation antenna elements. The method of Example 18 can optionally be included between the rings of antenna elements.

예 21은 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 파에 대한 중앙 피드 주위의 링에 있고, 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 링과 비교하여 중앙 피드에 가장 가까운 링에 있는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 18의 방법이다.Example 21 provides the first and second sets of RF radiating antenna elements in a ring about a central feed to the wave, wherein the first set of RF radiating antenna elements has a central feed relative to the ring of the second set of RF radiating antenna elements. This is the method of Example 18 that can selectively include those in the ring closest to .

예 22는 제2 빔이 제2 위성의 예측된 위치를 가리키는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 15의 방법이다.Example 22 is the method of Example 15, which can optionally include the second beam pointing to the predicted location of the second satellite.

예 23은 예측된 위치가 명령된 2-라인 엘리먼트(TLE)를 기초로 하는 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 22의 방법이다.Example 23 is the method of Example 22, which can optionally include that the predicted position is based on a commanded two-line element (TLE).

예 24는 제1 및 제2 빔이 다른 안테나 이득을 갖고, 제2 빔이 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 이용될 때 제2 빔에 대한 이득이 제1 빔에 대한 이득보다 낮은 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 17의 방법이다.Example 24 optionally provides that the first and second beams have different antenna gains, and the gain for the second beam is lower than the gain for the first beam when the second beam is used to acquire a signal from a second satellite. This is the method of Example 17 that can be included.

예 25는 제2 빔이 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 이용될 때 제1 빔보다 넓은 것을 선택적으로 포함할 수 있는 예 15의 방법이다.Example 25 is the method of Example 15 that can optionally include a second beam being wider than the first beam when used to acquire a signal from a second satellite.

상기 상세한 설명의 몇몇 부분은 컴퓨터 메모리 내의 데이터 비트에 대한 연산의 알고리즘 및 상징적 표현의 면에서 제공된다. 이들 알고리즘적 설명 및 표현은 데이터 처리 분야의 당업자가 자신의 작업의 내용을 다른 당업자에게 가장 효과적으로 전달하기 위해 이용하는 수단이다. 여기서 알고리즘은 일반적으로 원하는 결과를 도출하는 일관된 단계의 시퀀스로 되도록 생각된다. 이 단계는 물리량의 물리적 조작을 요구하는 단계이다. 일반적으로, 반드시 그런 것은 아니지만, 이들 양은 저장, 전달, 결합, 비교 및 달리 조작될 수 있는 전기 또는 자기 신호의 형태를 취한다. 이들 신호를 비트, 값, 엘리먼트, 심볼, 문자, 용어, 숫자 등으로 지칭하는 것이 주로 일반적인 이용의 이유로 때때로 편리한 것으로 입증되었다.Some portions of the above detailed description are presented in terms of algorithms and symbolic representations of operations on data bits within a computer memory. These algorithmic descriptions and expressions are the means used by those skilled in the art of data processing to most effectively convey the content of their work to others skilled in the art. Here, an algorithm is generally conceived of as a coherent sequence of steps that lead to a desired result. This step requires physical manipulation of physical quantities. Typically, but not necessarily, these quantities take the form of electrical or magnetic signals that can be stored, transferred, combined, compared and otherwise manipulated. It has sometimes proven convenient to refer to these signals as bits, values, elements, symbols, letters, terms, numbers, etc., primarily for reasons of general use.

그러나, 모든 이들 용어 및 유사한 용어는 모두 적절한 물리량과 관련되어야하고 단지 이들 양에 적용되는 편리한 라벨일 뿐이라는 것을 명심해야 한다. 다음 논의에서 명확하게 달리 명시되지 않는 한, 설명 전반에 걸쳐, "처리"또는 "컴퓨팅" 또는 "계산"또는 "결정" 또는 "디스플레잉"등과 같은 용어를 이용하는 논의는, 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리 내에서 물리적(전자적) 양으로 표현된 데이터를 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터 또는 다른 이러한 정보 저장, 전송 또는 디스플레이 장치 내에서 물리적 양으로서 유사하게 표현된 다른 데이터로 조작하고 변환하는, 컴퓨터 시스템 또는 유사한 전자 컴퓨팅 장치의 행위 및 프로세스를 언급함이 인정된다.However, it should be borne in mind that all these terms and similar terms must all relate to the appropriate physical quantities and are merely convenient labels applied to these quantities. Unless explicitly stated otherwise in the following discussion, throughout the description, discussions utilizing terms such as "processing" or "computing" or "calculation" or "determination" or "displaying" refer to the registers and memory of a computer system. A computer system or similar electronic computing device that manipulates and converts data represented as physical (electronic) quantities within a computer system or register or other such information storage, transmission or display device into other data similarly represented as physical quantities within a computer system or similar electronic computing device. It is recognized that it refers to the actions and processes of the device.

본 발명은 또한 여기서 동작을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 장치는 필요한 목적을 위해 특별히 구성될 수 있거나, 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성화되거나 재구성된 범용 컴퓨터를 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 플로피 디스크, 광학 디스크, CD-ROM 및 자기 광학 디스크를 포함하는 소정 형태의 디스크, ROM, RAM, EPROM, EEPROM, 자기 또는 광학 카드, 또는 전자적 명령을 저장하는데 적합하고, 각각 컴퓨터 시스템 버스에 결합됨 소정 형태의 매체와 같은, 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장될 수 있다.The invention also relates to a device for performing the operations herein. The device may be specially configured for the required purpose, or may comprise a general-purpose computer that is selectively activated or reconfigured by a computer program stored on the computer. These computer programs may be stored on any type of disk, ROM, RAM, EPROM, EEPROM, magnetic or optical card, or electronic instructions, including, but not limited to, floppy disks, optical disks, CD-ROMs, and magneto-optical disks. and may be stored in a computer-readable storage medium, such as any form of media coupled to a computer system bus, respectively.

여기서 제시된 알고리즘 및 디스플레이는 본질적으로 소정의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련이 없다. 다양한 범용 시스템이 여기서의 교시에 따라 프로그램과 함께 이용될 수 있거나, 필요한 방법 단계를 수행하기 위해 더욱 전문화된 장치를 구성하는데 편리함을 입증할 수 있다. 이들 다양한 시스템에 대해 필요한 구조는 이하 설명으로부터 나타날 것이다. 더욱이, 본 발명은 소정의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 설명되지는 않는다. 다양한 프로그래밍 언어는 여기서 설명된 바와 같이 본 발명의 교시를 구현하기 위해 이용될 수 있음이 이해될 것이다.The algorithms and displays presented herein are not inherently related to any particular computer or other device. A variety of general purpose systems may be used with programs in accordance with the teachings herein, or it may prove convenient to construct more specialized equipment to perform the necessary method steps. The necessary structures for these various systems will appear from the description below. Moreover, the invention is not described with reference to any specific programming language. It will be understood that various programming languages may be used to implement the teachings of the invention as described herein.

기계-판독가능 매체는 기계(예컨대, 컴퓨터)에 의해 판독가능한 형태로 정보를 저장하거나 전송하기 위한 소정의 메카니즘을 포함한다. 예컨대, 기계-판독가능 매체는 ROM; RAM; 자기 디스크 저장 매체; 광학 저장 매체; 플래시 메모리 장치; 등을 포함한다.Machine-readable media includes some mechanism for storing or transmitting information in a form readable by a machine (eg, computer). For example, machine-readable media may include ROM; RAM; magnetic disk storage media; optical storage media; flash memory device; Includes etc.

본 발명의 많은 변경 및 수정은 상기한 설명을 읽은 후 당업자에게 의심의 여지가 없는 반면, 예시로서 도시되고 설명된 소정의 특정 실시 예는 제한적인 것으로 간주되도록 의도되지 않음을 이해해야 한다. 따라서, 다양한 실시 예의 세부 사항에 대한 참조는 그 자체가 본 발명에 필수적인 것으로 고려되는 특징만을 인용하는 청구항의 범위를 제한하려는 것은 아니다.While many variations and modifications of the invention will no doubt occur to those skilled in the art after reading the foregoing description, it should be understood that any specific embodiments shown and described by way of example are not intended to be limiting. Accordingly, references to details of various embodiments are not intended to limit the scope of the claims, which themselves recite only those features considered essential to the invention.

Claims (25)

위성 통신에 이용하기 위한 방법으로, 방법이:
제1 위성을 추적하기 위해 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나로 제1 빔을 발생시키는 단계와;
제1 위성을 추적하기 위해 제1 빔을 발생시키는 동안 동시에 제2 위성을 추적하기 위해 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나로 제2 빔을 발생시키는 단계로서, 제1 빔 및 제2 빔의 방향이 2차원에서 전자적으로 스캔하는 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나에 의해 전자적으로 제어되는, 단계; 및
제1 위성으로부터 제2 위성으로 트래픽을 핸드 오프하는 단계;를 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
A method for use in satellite communications, the method being:
generating a first beam with a single electronically steered flat-panel antenna to track a first satellite;
generating a second beam with a single electronically steered flat-panel antenna to track a second satellite while simultaneously generating a first beam to track a first satellite, wherein the direction is electronically controlled by a single electronically steered flat-panel antenna that electronically scans in two dimensions; and
A method for use in satellite communication, comprising: handing off traffic from a first satellite to a second satellite.
제1항에 있어서,
트래픽을 핸드 오프하는 단계가 제1 위성으로부터 제2 위성으로 이행되는 내내 연결이 유지되도록 끊김없이 수행되는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 1,
A method for use in satellite communications, wherein the step of handing off traffic is performed seamlessly so that the connection is maintained throughout the transition from the first satellite to the second satellite.
제1항에 있어서,
제2 위성을 추적하기 위해 제2 빔을 발생시키기 이전에, 제1 빔을 발생시키는 동안 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 제2 빔을 발생시키는 단계를 더 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 1,
Prior to generating the second beam to track the second satellite, the satellite communication method further includes the step of generating a second beam to acquire a signal from the second satellite while generating the first beam. How to use it.
제3항에 있어서,
다른 주파수에 있는 캐리어를 가리키기 위해 각각의 제1 및 제2 빔을 발생시키도록 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나의 안테나 개구면 상의 각각의 제1 및 제2 세트의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트에 적용하기 위한 제1 및 제2 패턴을 발생시키는 단계를 더 포함하고, 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 다른 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 3,
First and second sets of radio frequency (RF) radiating antennas, respectively, on an antenna aperture of a flat-panel antenna electronically steered to generate respective first and second beams to point carriers at different frequencies. A method for use in satellite communications, further comprising generating first and second patterns for application to the elements, wherein the first and second sets of RF radiating antenna elements are different.
제4항에 있어서,
제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 다른 수의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 4,
A method for use in satellite communications, wherein the first and second sets of RF radiating antenna elements have different numbers of RF radiating antenna elements.
제4항에 있어서,
제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 각 RF 방사 안테나 엘리먼트가 안테나 개구면 상에 임의로 분포되는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 4,
A method for use in satellite communications, wherein each RF radiating antenna element of the first and second sets of RF radiating antenna elements is randomly distributed over the antenna aperture.
제4항에 있어서,
제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 파에 대한 중앙 피드 주위의 링에 있고, 더욱이 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 각 링이 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 링 사이에 있는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 4,
The first and second sets of RF radiating antenna elements are in a ring around a central feed for the wave, furthermore each ring of the first set of RF radiating antenna elements is positioned at a ring of the RF radiating antenna elements of the second set of RF radiating antenna elements. A method for use in satellite communications, characterized in that between rings.
제4항에 있어서,
제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 파에 대한 중앙 피드 주위의 링에 있고, 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 링과 비교하여 중앙 피드에 가장 가까운 링에 있는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 4,
The first and second sets of RF radiating antenna elements are in a ring around a central feed for the wave, the first set of RF radiating antenna elements being closest to the central feed compared to the ring of second set of RF radiating antenna elements. A method for use in satellite communications, characterized in that it is in a ring.
제3항에 있어서,
제2 빔이 제2 위성의 예측된 위치를 가리키는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 3,
A method for use in satellite communications, wherein the second beam points to the predicted location of the second satellite.
제9항에 있어서,
예측된 위치가 명령된 2-라인 엘리먼트(TLE)를 기초로 하는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to clause 9,
A method for use in satellite communications, wherein the predicted position is based on a commanded two-line element (TLE).
제3항에 있어서,
제1 및 제2 빔을 발생시키는 단계가 다른 안테나 이득을 갖고, 제2 빔이 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 이용될 때 제2 빔에 대한 이득이 제1 빔에 대한 이득보다 낮은 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 3,
characterized in that the step of generating the first and second beams have different antenna gains, and when the second beam is used to acquire a signal from the second satellite, the gain for the second beam is lower than the gain for the first beam. A method for use in satellite communications.
제3항에 있어서,
제2 빔이 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 이용될 때 제1 빔보다 넓은 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 3,
A method for use in satellite communications, wherein the second beam is wider than the first beam when used to acquire signals from the second satellite.
제1항에 있어서,
제1 위성을 추적하기 위해 제1 빔을 발생시키는 단계 이전에,
전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나가 단일 빔을 발생시키는 단일 빔 구성에서 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나를 동작시키는 단계로서, 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나를 동작시키는 단계가 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나의 안테나 개구면 상의 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 이용하여 제2 위성을 추적하기 위해 제3 빔을 발생시키는 것을 포함하고, 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 제1 빔을 발생시키기 위해 안테나 개구면 상의 제2 세트의 RF 방사 엘리먼트의 각 RF 방사 엘리먼트 및 제2 빔을 발생시키기 위해 안테나 개구면 상의 제3 세트의 RF 방사 엘리먼트의 각 RF 방사 엘리먼트를 포함하는, 단계; 및
전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나가 제1 및 제2 빔을 발생시키는 2-빔 구성에 대해 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나를 스위칭하도록 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to paragraph 1,
Prior to generating a first beam to track a first satellite,
operating the electronically steered flat-panel antenna in a single beam configuration wherein the electronically steered flat-panel antenna generates a single beam, wherein operating the electronically steered flat-panel antenna comprises: - generating a third beam to track a second satellite using a first set of RF radiation antenna elements on the antenna aperture of the panel antenna, wherein the first set of RF radiation antenna elements generate the first beam. comprising each RF radiating element of the second set of RF radiating elements on the antenna aperture for generating a second beam and each RF radiating element of the third set of RF radiating elements for generating a second beam; and
determining to switch the electronically steered flat-panel antenna to a two-beam configuration in which the electronically steered flat-panel antenna generates first and second beams. How to use it.
제13항에 있어서,
제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 제2 및 제3 세트의 RF 방사 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 방법.
According to clause 13,
A method for use in satellite communications, wherein the first set of RF radiating antenna elements includes second and third sets of RF radiating elements.
위성 통신에 이용하기 위한 안테나로서, 안테나가:
복수의 전자적으로 제어되는 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나 개구면; 및
제1 위성을 추적하기 위해 안테나 개구면으로 제1 빔을 발생시키도록 안테나 개구면을 제어하고, 제1 위성을 추적하기 위해 제1 빔을 발생시키는 동안 동시에 제2 위성을 추적하기 위해 안테나 개구면으로 제2 빔을 발생시키고, 제1 위성으로부터 제2 위성으로 트래픽을 핸드 오프하도록 안테나 개구면에 결합된 하나 이상의 프로세서;를 구비하여 구성되고,
제1 빔 및 제2 빔의 방향이 2차원에서 전자적으로 스캔하는 단일의 전자적으로 스티어링되는 평면-패널 안테나에 의해 전자적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
An antenna for use in satellite communications, comprising:
An electronically steered flat-panel antenna aperture having a plurality of electronically controlled radio frequency (RF) radiating antenna elements; and
Controlling the antenna aperture to generate a first beam with the antenna aperture to track a first satellite, and simultaneously controlling the antenna aperture to track a second satellite while generating the first beam to track the first satellite. one or more processors coupled to the antenna aperture to generate a second beam and to hand off traffic from the first satellite to the second satellite,
An antenna for use in satellite communications, wherein the direction of the first beam and the second beam is electronically controlled by a single electronically steered flat-panel antenna that scans electronically in two dimensions.
제15항에 있어서,
하나 이상의 프로세서가 제1 위성으로부터 제2 위성으로 이행하는 내내 연결이 유지되도록 제1 위성과 제2 위성 사이에서 끊김없이 트래픽을 핸드 오프하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
According to clause 15,
An antenna for use in satellite communications, wherein one or more processors are operable to seamlessly hand off traffic between a first satellite and a second satellite such that the connection is maintained throughout the transition from the first satellite to the second satellite.
제15항에 있어서,
제2 위성을 추적하기 위해 제2 빔을 발생시키는 것 이전에, 하나 이상의 프로세서가 제1 빔을 발생시키는 동안 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 제2 빔을 발생시키도록 안테나 개구면을 제어하는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
According to clause 15,
Prior to generating the second beam to track the second satellite, the at least one processor controls the antenna aperture to generate the second beam to acquire a signal from the second satellite while generating the first beam. An antenna for use in satellite communications, characterized in that:
제17항에 있어서,
하나 이상의 프로세서가 다른 주파수에 있는 캐리어를 가리키기 위해 각각의 제1 및 제2 빔을 발생시키도록 안테나 개구면의 각각의 제1 및 제2 세트의 무선 주파수(RF) 방사 안테나 엘리먼트의 제1 및 제2 세트에 적용하기 위한 제1 및 제2 패턴을 발생시키도록 동작가능하고, 제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 다른 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
According to clause 17,
The one or more processors generate first and second sets of first and second sets of radio frequency (RF) radiating antenna elements, respectively, of the antenna aperture to generate respective first and second beams to point to carriers at different frequencies. An antenna for use in satellite communications operable to generate first and second patterns for application to a second set, wherein the first and second sets of RF radiating antenna elements differ.
제18항에 있어서,
제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 다른 수의 RF 방사 안테나 엘리먼트를 갖는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
According to clause 18,
An antenna for use in satellite communications, wherein the first and second sets of RF radiating antenna elements have different numbers of RF radiating antenna elements.
제18항에 있어서,
제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 파에 대한 중앙 피드 주위의 링에 있고, 더욱이 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 각 링이 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 링 사이에 있는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
According to clause 18,
The first and second sets of RF radiating antenna elements are in a ring around a central feed for the wave, furthermore each ring of the first set of RF radiating antenna elements is positioned at a ring of the RF radiating antenna elements of the second set of RF radiating antenna elements. An antenna for use in satellite communications, characterized in that it is located between rings.
제18항에 있어서,
제1 및 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 파에 대한 중앙 피드 주위의 링에 있고, 제1 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트가 제2 세트의 RF 방사 안테나 엘리먼트의 링과 비교하여 중앙 피드에 가장 가까운 링에 있는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
According to clause 18,
The first and second sets of RF radiating antenna elements are in a ring around a central feed for the wave, the first set of RF radiating antenna elements being closest to the central feed compared to the ring of second set of RF radiating antenna elements. An antenna for use in satellite communications, characterized in that it is located in a ring.
제15항에 있어서,
제2 빔이 제2 위성의 예측된 위치를 가리키는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
According to clause 15,
An antenna for use in satellite communications, wherein the second beam points to the predicted location of the second satellite.
제22항에 있어서,
예측된 위치가 명령된 2-라인 엘리먼트(TLE)를 기초로 하는 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
According to clause 22,
An antenna for use in satellite communications, wherein the predicted position is based on a commanded two-line element (TLE).
제15항에 있어서,
제1 및 제2 빔이 다른 안테나 이득을 갖고, 제2 빔이 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 이용될 때 제2 빔에 대한 이득이 제1 빔에 대한 이득보다 낮은 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
According to clause 15,
Satellite communication, wherein the first and second beams have different antenna gains, and when the second beam is used to acquire a signal from the second satellite, the gain for the second beam is lower than the gain for the first beam. Antenna for use in.
제15항에 있어서,
제2 빔이 제2 위성으로부터 신호를 획득하기 위해 이용될 때 제1 빔보다 넓은 것을 특징으로 하는 위성 통신에 이용하기 위한 안테나.
According to clause 15,
An antenna for use in satellite communications, wherein the second beam is wider than the first beam when used to acquire signals from the second satellite.
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